Durabilité d’isolants à base de granulats végétaux

MATERIAUX BIOSOURCES POUR L’ISOLATION

    La réduction de l’énergie d’usage n’est pas le seul levier de réduction de GES pour le secteur du bâtiment. En effet, le choix des matériaux de construction permet également de réduire l’énergie grise des bâtiments (Figure I-1). L’énergie grise des matériaux va dépendre de la nature des matières premières (végétales, pétrosourcées, minérales), ainsi que de leur transformation. Les matériaux biosourcés sont des matériaux issus de la biomasse (végétale ou animale). Ces matériaux peuvent être transformés, ou contenir une partie de matériaux non biosourcés. L’utilisation de ressources locales renouvelables permet aussi de diminuer l’impact du transport et ainsi de diminuer l’énergie grise du matériau [LEC17]. Ils peuvent être aussi considérés comme des puits de carbone avec la consommation de CO2 durant la vie de la plante, notamment dans le bilan global d’émission de GES. Les matériaux biosourcés sont intéressants pour la rénovation par plusieurs aspects. Tout d’abord, en plus de l’isolation thermique, ces matériaux ont de bonnes propriétés acoustiques et/ou hygrothermiques. Cela limite l’utilisation d’une succession de couches de matériaux pour atteindre un confort dans l’habitat. De plus, de par ses propriétés hygrothermiques, un certain nombre de ces isolants est adapté à l’isolation de parois perméables à la vapeur d’eau, comme les parois de bâtiments anciens. Aujourd’hui, différents matériaux isolants biosourcés existent sur le marché. Il est possible d’utiliser les fibres pour la confection de laines végétales (bois, lin, chanvre, etc.) ou animales (mouton). Des produits peuvent aussi provenir du recyclage de papier ou de textile avec des panneaux de ouate de cellulose ou de coton. Enfin, les tiges des plantes peuvent aussi servir d’isolant, que ce soit sans transformation comme pour la paille de blé, ou après broyage des tiges pour formuler des granulats dans le cas des anas de lin ou de la chènevotte. Ces granulats peuvent être utilisés en vrac ou enrobés par un liant d’origine minérale qui assure leur cohésion. On parle alors de bétons végétaux. L’un des plus communs en France est le béton de chanvre qui fait l’objet des travaux de cette thèse.

Description du comportement acoustique des matériaux

    Différentes performances acoustiques sont mesurées et permettent de décrire le comportement d’une onde acoustique lorsqu’elle atteint le béton de chanvre. Lorsqu’une onde acoustique arrive sur le matériau, trois comportements différents peuvent se produire (Figure I-19). L’onde peut être réfléchie dans une direction qui dépend de l’angle incident. L’onde acoustique peut aussi pénétrer et se propager dans la porosité du matériau. Dans ce cas, elle peut être en partie dissipée en fonction des caractéristiques du matériau. Les dissipations se produisent par des effets visco-inertiels et par des effets thermiques. Dans le cas des effets visco-inertiels, l’air se comporte comme un fluide saturant caractérisé par une viscosité qui dépend de la température et de la pression. Jusqu’à une certaine fréquence, dépendant notamment des rayons des pores du matériau, le régime d’écoulement du fluide suit un régime visqueux, une dissipation de l’onde acoustique se produit par frottements visqueux de l’air sur les parois des pores (squelette). A plus hautes fréquences l’écoulement devient uniquement inertiel. Dans le cas de la dissipation par effets thermiques, la température de l’air dans le matériau est liée à la pression acoustique. Des différences de pression se produisent au niveau des changements de section des pores, entraînant des phénomènes de compression et de détente. Si la partie de l’onde acoustique ayant pénétrée dans le matériau n’est pas totalement dissipée, alors une onde sera aussi transmise de l’autre côté du matériau.

CHOIX DES PROTOCOLES DE VIEILLISSEMENT

      Au vu des résultats bibliographiques présentés dans le chapitre I, il a été identifié que la présence d’eau, sous forme de vapeur ou liquide, peut entraîner des modifications de propriétés des bétons de chanvre. En effet, le béton de chanvre peut contenir une quantité importante d’eau, avec une capacité de sorption de vapeur d’eau allant jusqu’à 30 % [COL04] et une capacité d’absorption d’eau entre 80 % et plus de 100 % de sa masse initiale [HEL13b]. Cette quantité d’eau dans le matériau va pouvoir influencer de différentes manières les propriétés physico-chimiques et microstructurales du béton de chanvre. Une teneur en eau élevée entraîne des variations dimensionnelles par effets de gonflement/retrait des granulats [CAS15], qui peuvent modifier la zone interfaciale entre les granulats et le liant [NOZ12]. La présence d’eau va aussi intervenir dans l’extraction de molécules de la chènevotte pouvant impacter l’hydratation du liant [DIQ13]. Ce même liant va se carbonater différemment en fonction de la quantité d’eau présente dans le matériau [CHA15]. Une minéralisation de la porosité de la chènevotte est obtenue par migration de phases minérales de la couche de liant vers les granulats [MAG10]. De plus, une dégradation alcaline du végétal est possible lorsque des composés comme la portlandite passent dans la solution interstitielle [GOV04]. Enfin, en présence d’une quantité suffisante d’eau, un développement de microorganismes peut être observé [ARI18]. Le facteur de vieillissement retenu est donc la présence d’eau en quantité suffisante pour entraîner des variations de propriétés chimiques et microstructurales, impactant ensuite les propriétés fonctionnelles du matériau. Trois conditions environnementales sont choisies et appliquées à trois lots d’éprouvettes pendant deux ans. Ces trois types de vieillissement peuvent être considérés comme un vieillissement de référence, un vieillissement accéléré et un vieillissement sévère.

Analyse des phases minérales par thermogravimétrique couplée à la spectrométrie de masse

      Dans ces travaux, les phases minérales des liants sont étudiées par analyse thermogravimétrique (ATG) (Netzsch STA 449 F1 Jupiter) couplée à un spectromètre de masse (Netzsch QMS 403 C Aëolos équipé d’un piège quadripolaire). L’ATG est une technique permettant d’identifier les composés ou des familles de composés chimiques en fonction de leur température de dégradation. L’échantillon est introduit dans un creuset reposant sur unemicrobalance et soumis à une rampe de température. Sur une plage de température donnée, des composés chimiques se dégradent, en dégageant des gaz. La perte de masse de l’échantillon est alors mesurée et les gaz formés sont analysés dans le spectromètre de masse. Pour permettre son analyse, le liant est séparé de la chènevotte à l’aide d’un mortier, broyé et tamisé à 315 µm. L’échantillon d’environ 180 mg est soumis à trois cycles de pompage, nécessaires pour l’analyse de spectrométrie de masse. La température augmente de 40°C à 1200°C avec une vitesse de 10°C.min-1 sous un flux d’argon. Un exemple de résultat pour un liant minéral est présenté Figure III-16. Sur la première plage de température jusqu’à 400°C, la perte de masse est associée à la déshydratation de phases hydratées comme les C-S-H, l’ettringite ou d’autres aluminates hydratés. La perte de masse est associée à l’apparition d’un pic du signal de spectrométrie de masse de l’eau (m/z = 18). Entre 400°C et 530°C, une perte de masse est due à la déshydratation de la portlandite, un second pic d’eau est obtenu. Enfin, entre 530 et 1000°C, la décarbonatation des carbonates de calcium est observée pour former de l’oxyde de calcium et du CO2. Un pic de CO2 (m/z = 44) est bien visible. Les carbonates de calcium sont décomposés à partir de 600°C, la vatérite et l’aragonite entre 600°C et 700°C et la calcite autour de 800°C.

Fabrication des bétons de chanvre et période de cure

     Deux gâchées de bétons de chanvre correspondant à une formulation « mur » sont fabriquées en suivant les règles de construction de Construire en Chanvre [CeC12]. La même formulation est utilisée pour les gâchées, avec un rapport massique eau totale sur liant de 1, et un rapport massique liant sur granulats de 2. La chènevotte est introduite avec la moitié de l’eau (et le retardateur de prise pour le ciment naturel), dans un malaxeur adapté au béton de chanvre (Hemp Eco System mixer – 200 L). Puis le liant et le reste de l’eau sont ajoutés. Le béton de chanvre est introduit et compacté manuellement dans des moules pour obtenir une masse volumique à l’état frais de 530 kg.m-3. Le béton de chanvre qui contient le liant formulé à la chaux est appelé FL-HC, et le liant à base de ciment naturel est appelé NC-HC. Après la fabrication, 90 jours de cure assurent le durcissement du liant par hydratation et carbonatation, ainsi que le séchage des bétons de chanvre. Les éprouvettes sont démoulées 7 jours après leur fabrication puis sont stockées dans une pièce à température et humidité contrôlées (65 % HR et 20°C) pendant 81 jours. La masse volumique des éprouvettes est suivie au cours de cette cure. Pour contrôler la teneur en eau du matériau, qui influe sur les propriétés mesurées [GOU17], deux jours de séchage à 40°C sont appliqués pour sécher les bétons de chanvre. A l’issue de cette période de cure, les masses volumiques  à l’état sec des bétons de chanvre sont respectivement de 350 kg.m-3 et de 348 kg.m-3 pour NC-HC et FL-HC.

Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE I – ETAT DE L’ART
PARTIE A – CONTEXTE DE L’ETUDE
1. Contexte environnemental
2. Le secteur du bâtiment
3. Matériaux biosourcés pour l’isolation
PARTIE B- BETON DE CHANVRE
1. Composition et mise en œuvre des bétons de chanvre
1.1. La chènevotte
1.1.1. Microstructure de la chènevotte
1.1.2. Composition chimique
1.1.3. Hydrophilie des granulats
1.2. Les liants minéraux
1.2.1. Les liants hydrauliques
1.2.2. Les chaux
1.2.3. Les liants formulés
1.3. Mise en œuvre du béton de chanvre
1.3.1. Formulation
1.3.2. Mise en œuvre et durcissement
1.3.3. Conditions de cure
2. Propriétés des bétons de chanvre
2.1. Les propriétés thermiques
2.2. Les propriétés hydriques
2.2.1. Les isothermes de sorption-désorption
2.2.2. Autres propriétés hydriques
2.3. Les propriétés acoustiques
2.3.1. Description du comportement acoustique des matériaux
2.3.2. Comportement acoustique du béton de chanvre
2.4. Les propriétés mécaniques
2.5. Propriétés microstructurales
PARTIE C – DURABILITE DES BETONS VEGETAUX
1. Introduction
2. Accelerated aging protocols for bio-based construction materials
2.1. Environmental aging
2.2. Biological aging
2.2.1. Description of the microorganisms
2.2.2. Mechanisms of biodegradation
2.2.3. Methods for determination of fungal resistance of construction products
2.2.4. Proposal of a fungal resistance test development tailored to bio-based insulation materials
3. Aging of bio-based concretes
3.1. Natural aging of bio-based concretes
3.2. Influence of environmental aging on the mechanical properties
3.2.1. Static conditions
3.2.2. Dynamic conditions
3.3. Microbial aging
3.4. Conclusion
4. Aging of natural fibres-cement composites
4.1. Mineralisation of the vegetal fibres
4.2. Degradation mechanisms of vegetal fibres
5. Concluding remarks
6. Vieillissement en conditions réelles
CONCLUSION DU CHAPITRE
CHAPITRE II – METHODOLOGIE DE L’ETUDE
1. Objectifs de l’étude
2. Méthodologie de l’étude
3. Choix des protocoles de vieillissement
3.1. Vieillissement accéléré
3.2. Vieillissement extérieur
3.3. Vieillissement de référence
CONCLUSION DU CHAPITRE
CHAPITRE III – MATERIAUX ET TECHNIQUES EXPERIMENTALES 
1. Matériaux et fabrication du béton de chanvre
1.1. Matériaux
1.1.1. Chènevotte
1.1.2. Liants minéraux
1.2. Fabrication des éprouvettes de bétons de chanvre
1.3. Période de cure
1.4. Protocoles de vieillissement
2. Techniques expérimentales
2.1. Propriétés fonctionnelles
2.1.1. Résistance en compression
2.1.2. Propriétés hygriques
2.1.3. Propriétés acoustiques
2.1.4. Propriétés thermiques
2.2. Propriétés microstructurales
2.2.1. Porosimétrie à l’air
2.2.2. Pycnométrie à hélium
2.2.3. Microscopie électronique à balayage
2.3. Caractérisations chimiques
2.3.1. Composition chimique de la chènevotte
2.3.2. Teneur en composés extractibles de la chènevotte dans des solutions aqueuses
2.3.3. Teneurs en sucres
2.3.4. Analyse des phases minérales par thermogravimétrique couplée à la spectrométrie de masse
2.3.5. Analyses des phases minérales par diffraction des rayons X
2.3.6. Suivi de l’hydratation des liants par calorimétrie isotherme
2.4. Caractérisations microbiologiques
2.4.1. Quantification des cellules fongiques
2.4.2. Quantification des cellules fongiques en surface et à cœur du béton de chanvre
3. Synthèse
CHAPITRE IV – INTERACTIONS MINERAL/VEGETAL ET VEGETAL/MINERAL DE BETONS DE CHANVRE
INTRODUCTION
PARTIE A. INFLUENCE DU LIANT SUR LES PROPRIETES DE BETONS DE CHANVRE
1. Introduction
2. Materials and methods
2.1. Raw materials
2.1.1. Hemp shiv
2.1.2. Mineral binders
2.2. Hemp concretes and mortar manufacturing and curing conditions
2.3. Functional properties
2.3.1. Thermal conductivity
2.3.2. Acoustical behaviour
2.3.3. Sorption isotherms
2.3.4. Compression test
2.4. Microstructure
2.5. X ray diffraction (XRD)
3. Results
3.1. Functional properties
3.1.1. Thermal conductivity
3.1.2. Acoustical behaviour
3.1.3. Hydric property
3.1.4. Compressive strength
3.2. Density, microstructure and porosity
3.2.1. Density
3.2.2. Microstructure observations
3.2.3. Porosity
3.2.4. Microstructure parameters
3.3. Chemical analyses
4. Discussion
4.1. Impact of the presence of a mineral binder with shiv
4.2. Impact of the nature of the binder on hemp concretes properties
4.3. Impact of the shiv in hydration and mechanical properties
5. Conclusion
PARTIE B. INFLUENCE DE LA CHENEVOTTE SUR L’HYDRATATION DES LIANTS MINERAUX
1. Introduction
2. Matériaux et méthodes
2.1. Matériaux
2.1.1. Chènevottes
2.1.2. Sucres étalons
2.1.3. Ciment Portland
2.2. Méthodes
2.2.1. Calorimétrie
2.2.2. Dosage des sucres réducteurs en solution
2.2.3. Dosage de saccharides totaux extraits
2.2.4. Analyses statistiques des résultats de dosage des sucres
2.2.5. Colorimétrie
3. Résultats et discussion
3.1. Effet retardateur d’hydratation de la chènevotte
3.1.1. Effet du taux de chènevotte
3.1.2. Effet du type de chènevotte
3.2. Optimisation des conditions d’extraction
3.2.1. Temps d’immersion
3.2.2. Influence du rapport eau sur chènevotte
3.2.3. Influence de l’alcalin pour les extractions en milieux basiques
3.2.4. Protocole d’extraction retenu pour quantifier les molécules extractibles
3.3. Quantification des extractibles des chènevottes
3.3.1. Teneur en molécules extractibles
3.3.2. Dosages des saccharides
3.4. Influence des saccharides sur l’hydratation du ciment
3.5. Autres composés extractibles
4. Conclusion
5. Résultats complémentaires : Hydratation du liant formulé à la chaux et du ciment naturel en présence de chènevotte
5.1. Hydratation des pâtes de liants NC et FL
5.2. Hydratation des liants NC et FL en présence de chènevotte
CONCLUSION DU CHAPITRE
CHAPITRE V – COMPORTEMENT DE LA CHENEVOTTE SOUMISE A DES VIEILLISSEMENTS ENVIRONNEMENTAUX
INTRODUCTION DU CHAPITRE
1. Introduction
2. Materials and methods
2.1. Materials
2.2. Aging protocols
2.3. Functional properties
2.4. Microstructure characterisation
2.5. Chemical analysis
3. Results
3.1. Functional properties of shiv
3.2. Microstructure of the hemp shiv
3.2.1. Mass and bulk density
3.2.2. Density of the vegetal cell walls
3.2.3. Skeleton density
3.2.4. Microstructural parameters obtained from acoustic analyses
3.2.5. Observation of hemp shiv during aging
3.3. Chemical composition
4. Discussion
5. Conclusion
CONCLUSION DU CHAPITRE
CHAPITRE VI – COMPORTEMENT DES BETONS DE CHANVRE SOUMIS A DES VIEILLISSEMENTS ENVIRONNEMENTAUX
INTRODUCTION
PARTIE A CONTROLE DU DEVELOPPEMENT FONGIQUE SUR BETONS DE CHANVRE
1. Introduction
2. Materials and methods
2.1. Materials
2.1.1. Manufacturing and curing of hemp concretes
2.1.2. Protocols of ageing
2.2. Methods
2.2.1. Quantification of viable fungal cells
2.2.2. Analysis of fungal growth
2.2.3. pH analysis
2.2.4. Microstructure observations and identification of fungi
3. Results and discussion
3.1. Fungi present in hemp shiv and at fresh state in hemp concrete
3.2. Monitoring of the fungi development in and on hemp concretes during ageing
4. Conclusions
5. Résultats complémentaires : suivi du développement fongique pour le vieillissement extérieur et pour NC-HC
5.1. Vieillissement en extérieur de FL-HC
5.2. Développement fongique en surface et à cœur de BC-CN
6. Conclusions
PARTIE B DURABILITE DU BETON DE CHANVRE SOUMIS A UN VIEILLISSEMENT ACCELERE
1. Introduction
2. Matériaux et méthodes
2.1. Matériaux
2.1.1. Chènevotte
2.1.2. Liants minéraux
2.2. Fabrication des bétons de chanvre et période de cure
2.3. Protocoles de vieillissement du béton de chanvre
2.4. Propriétés fonctionnelles
2.4.1. Conductivité thermique
2.4.2. Coefficient d’absorption acoustique et indice d’affaiblissement
2.4.3. Isothermes de sorption
2.4.4. Résistance mécanique
2.5. Microstructure
2.6. Analyses chimiques du liant
2.7. Traitement statistique des données
3. Résultats
3.1. Propriétés fonctionnelles
3.1.1. Propriétés thermiques
3.1.2. Propriétés acoustiques
3.1.3. Propriétés hydriques
3.1.4. Propriétés mécaniques
3.2. Composition chimique des liants
3.3. Propriétés microstructurales
3.3.1. Variation de masse volumique
3.3.2. Porosité
3.3.3. Microscopie électronique
3.3.4. Paramètres acoustiques
4. Discussion
4.1. Bétons de chanvre soumis au vieillissement de référence
4.2. Bétons de chanvre soumis au vieillissement accéléré
4.2.1. Evolution des matrices minérales
4.2.2. Minéralisation de la porosité de la chènevotte
4.2.3. Dégradation des parois végétales
4.3. Durabilité du béton de chanvre à l’échelle du bâtiment
5. Conclusion
CONCLUSION DU CHAPITRE
CONCLUSION GENERALE ET PERSPECTIVES
RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES

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