Transferts de chaleur dans les materiaux cimentaires

TRANSFERTS DE CHALEUR DANS LES MATERIAUX CIMENTAIRES

Modes de transfert de chaleur

Les échanges thermiques sont les phénomènes de transfert d’énergie sous forme de chaleur dus à une différence spatiale de température. Celle-ci est définie comme étant l’énergie transférée du milieu à plus haute température vers le milieu à plus basse température. Dans un transfert de chaleur, les deux principaux paramètres sont le gradient de température et le flux de chaleur ; le premier représente quantitativement l’énergie thermique des molécules, tandis que le flux représente le mouvement de cette énergie d’une zone à une autre. On distingue trois principaux modes de transfert de chaleur : la conduction, qui décrit le transfert au cœur même de la substance composant le corps ; la convection, où la chaleur est transmise par les déplacements convectifs du corps chauffé ; et le rayonnement, où la chaleur est transmise par des ondes électromagnétiques. A ces trois phénomènes physiques est parfois rajouté un transfert par excitation [3]. Nous donnons une brève description des trois premiers phénomènes dans ce qui suit.

Transfert conductif

Le transfert de chaleur par conduction est un transfert d’énergie dans un milieu matériel (solide ou fluide) par vibration moléculaire et sans mouvement de matière, lorsque le corps est sujet à un gradient de température. Le transfert par conduction est souvent propre aux solides uniquement ; les liquides et les gaz ont tendance à se déplacer lorsqu’ils sont chauffés – sauf dans le cas où ces derniers sont confinés dans des espaces exigus – et l’on passe dans ce cas à un transfert de chaleur par convection naturelle [4]. Le transfert par conduction peut être étudié soit en régime permanent ou transitoire, suivant l’équilibre thermique du système étudié. La température ? [?] est indépendante du temps en régime permanent.

La conductivité thermique est une grandeur thermo-physique qui caractérise l’aptitude d’un corps à se faire traverser par la chaleur. C’est la chaleur transférée par unité de surface isotherme et de temps sous un gradient de température unitaire. C’est une propriété inhérente au matériau qu’elle caractérise et est fonction de la température et la pression de mesure. Elle est la principale caractéristique du pouvoir isolant d’un matériau.

L’équation de la chaleur traduit une conservation d’énergie dans un système. Il existe plusieurs approches pour l’établir, nous présentons dans ce qui suit celle reposant sur l’application du premier principe de thermodynamique et la loi de Fourier. Soit un volume de contrôle ? contenu à l’intérieur d’une surface ?. On applique le premier principe de thermodynamique entre un temps ? et ? + ?? :

?(? + ??) − ?(?) = ?? + ??

où ? est l’énergie interne du système, ?? le travail des forces extérieures sur le système étudié et ?? la quantité de chaleur échangée avec le milieu extérieur. Par convention, un transfert thermique du système vers l’extérieur est noté négativement.

Transfert convectif

Comme cela a été mentionné plus haut, ce mode de transfert concerne les fluides en mouvement. On note les transferts gouvernant les écoulements intra-fluide ou ceux entre la surface d’un solide et la zone d’interface entre ce dernier et le fluide environnant en mouvement, dite couche limite (cas des parois d’un bâtiment). Suivant la source du désordre, on distingue une convection dite naturelle d’une convection dite forcée. La convection naturelle concerne les mouvements de fluide résultant d’une distribution spatiale non uniforme de la densité, dont un gradient de température est généralement le moteur [5]. Lorsque le mouvement résulte d’une action mécanique, on parle de convection forcée. Au contact d’un élément chaud, le fluide (dans le domaine du bâtiment, il s’agit généralement de l’air) se met en mouvement et se déplace vers l’élément froid au contact duquel il perd sa chaleur, créant un mouvement vertical qui accélère les échanges thermiques entre les deux éléments. Plus le fluide entrant en jeu est immobile, moins il y a de convection. La présence des mouvements convectifs conduit à une augmentation du transport de chaleur global et se traduit par un terme supplémentaire dans l’équation de la chaleur, rendant du transport d’enthalpie par l’écoulement du fluide [6]. En général, on cherche à tout prix à éviter cet apport de chaleur dans le domaine de l’isolation.

Lorsque l’échange s’effectue entre un solide et un fluide, le flux thermique échangé entre la surface et le fluide en mouvement est décrit par la loi de Newton (Équation 1.11) :

Équation 1.11
? = ℎ?(?? − ??)

Où ? [W] représente le flux de chaleur ; ? [m²] la surface d’échange ; ?? [K] la température de surface du solide ; ?? [K] la température du fluide et ℎ [W/m².K] le coefficient de transfert thermique par convection. Ce dernier permet d’établir l’inverse d’une résistance thermique de convection et dépendra de la nature du fluide, de la température de celui-ci ainsi que du type et de l’orientation de l’écoulement.

Transfert radiatif

Le transfert par rayonnement ne nécessite pas la présence d’un milieu matériel intermédiaire dans la mesure où la chaleur peut être transportée à travers le vide (ex : rayonnement solaire) ; c’est même ainsi que ce mode de transfert est le plus efficace. Il peut être défini comme la quantité d’énergie émise par un corps, dont la température diffère du zéro absolu, sous forme de rayonnement électromagnétique de longueur d’onde comprise entre 0.1 et 100 µm. Selon la loi de Planck, l’émission de ce rayonnement est le résultat de la transition des électrons entre deux états d’énergie différents.

Transferts de chaleur dans les milieux poreux

Les matériaux cimentaires peuvent être schématisés par des milieux poreux dans la mesure où la matrice cimentaire constitue la matrice solide dont la porosité est saturée en fluide (air et/ou eau). De ce fait, nous pouvons considérer que, à priori, les trois modes de transfert thermique cités plus haut prennent lieu : la conduction dans le squelette solide et les fluides dans les pores, et dans une certaine mesure, les pores peuvent également être le siège de mouvements convectifs et radiatifs. Certains auteurs considèrent que les transferts thermiques au sein des matériaux cimentaires sont plus complexes que pour les autres milieux composites dans la mesure où même certains composantes du système peuvent être eux-mêmes assimilés à des milieux poreux [7].

Dans les milieux poreux à température et pression ambiantes, la convection et le rayonnement dans les pores sont souvent supposés négligeables, surtout devant les transferts par conduction au sein des différentes phases [3], [8]. En effet, le transfert thermique est considéré purement conductif lorsque, sous l’effet d’un gradient thermique, le fluide réactif saturant reste immobile, ce qui est le cas lorsque ce dernier est piégé dans des espaces restreints que sont les pores [4], [6]. Certains auteurs rapportent cependant que la contribution de la convection naturelle aux transferts thermiques devient non négligeable à partir d’un seuil donné de diamètre de pores [9]. Ce dernier est déterminé à partir du nombre de Grashof, qui traduit le rapport de la force dirigeant la convection à la force de viscosité s’y opposant ; pour des valeurs supérieures à 1000, il convient de tenir compte de la convection au sein des pores. Dans le cas où la porosité du milieu est emplie d’air à pression atmosphérique et est sujette à une différence de température de 10°C, la convection devient non négligeable pour une porosité très grossière avec des diamètres supérieurs ou égaux à 10 mm. Dans le cas des milieux très poreux (porosité ≥ 50%) et dont la taille des pores est supérieure à 100 µm, certains auteurs considèrent que le transfert radiatif à travers les pores doit être pris en compte [10] tandis que d’autres jugent cet apport significatif uniquement pour des températures très élevées (> 500 °C) [9]. En toute rigueur, nous ne pouvons parler de conductivité thermique qu’en situation de conduction pure. Néanmoins, en présence de rayonnement, la contribution de la part radiative peut être modélisée de manière assez simple en définissant une conductivité thermique équivalente dans l’équation de Fourier, englobant les parts de conduction et de rayonnement sous un même gradient unitaire de température.

Dans notre cas, par rapport aux considérations mentionnées plus haut, au vu de la porosité modérée (généralement en-dessous de 25%) des matériaux cimentaires que nous traitons et de leurs dimensions caractéristiques de pores, nous négligeons les phénomènes de convection et de rayonnement à l’intérieur de ceux-ci. C’est uniquement un transfert conductif pur à travers les différentes phases qui sera pris en compte. Nous nous intéresserons en particulier à la conductivité thermique du matériau, qui est la principale caractéristique régissant ce mode de transfert et qui permet de décrire de manière assez directe le pouvoir isolant – ou conducteur – de celui-ci.

Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
TRANSFERTS DE CHALEUR DANS LES MATERIAUX CIMENTAIRES
1.1. Modes de transfert de chaleur
Transfert conductif
Transfert convectif
Transfert radiatif
1.2. Transferts de chaleur dans les milieux poreux
1.3. Méthodes de mesure de la conductivité thermique
Mesures en régime stationnaire
Mesures en régime transitoire
1.4. Influence des paramètres de formulation
Granulats
Matrice cimentaire
Teneur en eau et température
1.5. Bilan
LES PONTS THERMIQUES : IMPACT DE LA SOLUTION BETON ET EVOLUTIONS NORMATIVES
2.1. Définition d’un pont thermique dans le bâtiment
2.2. Evaluation de l’apport des bétons isolants
Grandeurs physiques supplémentaires
Définition du modèle géométrique
Résultats
2.3. Evolution normative : Introduction des Bétons à Propriété Thermique
2.4. Vers des Bétons Isolants Structurels Autoplaçants (BISAP)
2.5. Bilan
EVALUATION DU COMPROMIS THERMOMECANIQUE DES MORTIERS AVEC CENOSPHERES : FORMULES EXPLORATOIRES
3.1. Les cénosphères dans une matrice cimentaire : données bibliographiques
Formation de cénosphères
Propriétés des cénosphères
Les cénosphères dans les matériaux cimentaires
3.2. Programme expérimental
Matériaux et formules
Méthodes de caractérisation physico-chimique des cénosphères
Méthodes de caractérisation mécanique et microstructurale des mortiers
Mesure de la Conductivité thermique
3.3. Résultats et discussion
Caractérisation des Cénosphères
Impact des cénosphères sur le comportement mécanique des mortiers
Porosité et réseau poreux
Apport des cénosphères à la conductivité thermique des mortiers
3.4. Bilan
EFFET DU DOSAGE EN CENOSPHERES SUR LES PROPRIETES DES BISAP
4.1. Etat de l’art : les bétons légers de structure
Généralités
Propriétés mécaniques des bétons légers
Leviers de formulation des bétons autoplaçants légers
Bilan
4.2. Programme expérimental
Composition des bétons étudiés
Pré-mouillage des granulats, malaxage et confection d’éprouvettes
Propriétés physiques à l’état frais et propriétés d’écoulement
Propriétés mécaniques et thermiques
4.3. Résultats et discussion
Les BISAP à l’état frais : résultats de la caractérisation
Entre pouvoir isolant et structurel
4.4. Bilan
CALCUL DE LA CONDUCTIVITE THERMIQUE DES BETONS PAR MODELISATION NUMERIQUE
5.1. Détermination de la conductivité thermique effective
Définition
Modèles analytiques et empiriques
Modèles numériques de microstructure des matériaux cimentaires
5.2. Présentation de la démarche de la résolution numérique
Définition des échelles
Génération des microstructures
Attribution de propriétés thermiques
Estimation de la conductivité thermique par analyse inverse
5.3. Résultats et discussion
Influence de la microstructure de la pâte de ciment sur la conductivité thermique
Influence des cénosphères sur le calcul de la conductivité thermique
5.4. Bilan
CONTRIBUTION PHYSICO-CHIMIQUE DES CENOSPHERES A LA RESISTANCE
MECANIQUE DES MORTIERS NORMALISES
6.1. Etat de l’art : approche et outils disponibles
Considérations normatives
Principe de l’approche par coefficient d’activité
Quelques résultats sur les additions minérales
Quelques résultats sur les cénosphères
6.2. Programme expérimental
Matériaux et formules
Mécanique et hydratation
Microstructure
6.3. Résultats et discussion
Cinétique d’hydratation
Résistance à la compression
Indice et coefficient d’activité
Microstructure
6.4. Bilan
CONCLUSION

Lire le rapport complet