CHAPITRE 1 ELEMENTS BIBLIOGRAPHIQUES ET CARACTERISATION EXPERIMENTALE DES MATERIAUX La particularité de ce travail de recherche réside à la fois dans la manière de traiter la problématique scientifique liée à ce genre de matériau et dans le sujet d'étude lui-même. Cette étude est basée sur une approche globale des propriétés du béton de chanvre, avec une analyse croisée des caractéristiques mécaniques, thermiques et acoustiques. En règle générale, les matériaux employés dans le bâtiment remplissent un usage particulier, pour lequel leur formulation a été optimisée. On utilise alors une technique de « structures sandwichs » en accolant ces différents matériaux les uns aux autres. A titre d’exemple, un béton hydraulique visant à la réalisation d’une structure porteuse, est formulé de manière à posséder de bonnes qualités mécaniques (résistance, rigidité). Le diamètre des granulats et la proportion entre les différentes granulométries sont choisis de façon à obtenir un empilement le plus compact possible. Le ciment en faisant prise assure la cohésion de l'empilement granulaire et la résistance mécanique du matériau. Or, ce béton est alors un bon conducteur thermique car il contient peu d’air. On utilise donc des panneaux de laine de roche ou de laine de verre pour isoler le système. En revanche, le béton étant compact, il aura une masse importante qui lui permettra d’empêcher la transmission du son d’une pièce à l’autre. A l’inverse, un béton cellulaire est principalement utilisé à des fins d’isolation thermique car il contient un grand nombre de pores. Cependant, ces performances mécaniques et acoustiques sont limitées.
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Transcript
CHAPITRE 1
ELEMENTS BIBLIOGRAPHIQUES ET
CARACTERISATION EXPERIMENTALE DES MATERIAUX
La particularité de ce travail de recherche réside à la fois dans la manière de traiter la
problématique scientifique liée à ce genre de matériau et dans le sujet d'étude lui-même. Cette
étude est basée sur une approche globale des propriétés du béton de chanvre, avec une analyse
croisée des caractéristiques mécaniques, thermiques et acoustiques. En règle générale, les
matériaux employés dans le bâtiment remplissent un usage particulier, pour lequel leur
formulation a été optimisée. On utilise alors une technique de « structures sandwichs » en
accolant ces différents matériaux les uns aux autres. A titre d’exemple, un béton hydraulique
visant à la réalisation d’une structure porteuse, est formulé de manière à posséder de bonnes
qualités mécaniques (résistance, rigidité). Le diamètre des granulats et la proportion entre les
différentes granulométries sont choisis de façon à obtenir un empilement le plus compact
possible. Le ciment en faisant prise assure la cohésion de l'empilement granulaire et la
résistance mécanique du matériau. Or, ce béton est alors un bon conducteur thermique car il
contient peu d’air. On utilise donc des panneaux de laine de roche ou de laine de verre pour
isoler le système. En revanche, le béton étant compact, il aura une masse importante qui lui
permettra d’empêcher la transmission du son d’une pièce à l’autre.
A l’inverse, un béton cellulaire est principalement utilisé à des fins d’isolation
thermique car il contient un grand nombre de pores. Cependant, ces performances mécaniques
et acoustiques sont limitées.
Les performances mécaniques, acoustiques et thermiques ont donc des exigences
contraires. Celles-ci expliquent à la fois la difficulté et l’intérêt d’une étude globale des
propriétés. En étudiant la variabilité des propriétés du matériau en fonction de paramètres pré-
définis comme le dosage des constituants ou la compacité, il devient possible de trouver des
compromis en fonction des aspects que l’on souhaite favoriser, tout en conservant un matériau
multi-usages.
La deuxième originalité de ce travail concerne les caractéristiques propres du béton de
chanvre. Cette spécificité est due aux propriétés de chaque constituant ainsi qu’à la
microstructure résultante du mélange de ceux-ci.
Le béton de chanvre est constitué de granulats d’origine végétale et d’une matrice de
liant à base de chaux. Le granulat de chanvre présente une forte porosité qui le rend léger et
très compressible. Son comportement diffère donc de celui des granulats minéraux classiques,
rigides. Le liant à base de chaux a une cinétique de prise lente par rapport à celle des liants
hydrauliques usuels comme le ciment. De plus, les niveaux de performances mécaniques
atteints par ce type de liant sont en deçà de celles des liants à base de ciment.
Le mélange de ces deux constituants, l’un compressible et l’autre pas, conduit donc à
un matériau assez éloigné des matériaux de construction classiques, et ce à plusieurs titres.
Tout d’abord, les propriétés du béton de chanvre évoluent sur des durées supérieures de celles
des matériaux usuels. La caractérisation des propriétés mécaniques à 28 jours ne donne pas
des valeurs représentatives des performances de ce matériau. On raisonne donc sur des
échelles de temps variant entre 6 mois et 1 an. Ensuite, le comportement mécanique est
modifié par la présence de granulats déformables dans une matrice de liant rigide. Ce
contraste des propriétés génère un mode de rupture différent de celui d’un béton standard.
Enfin, la microstructure du béton de chanvre varie en fonction de la formulation et entraîne
des comportements et des propriétés variables. Ce dernier point constitue le principal attrait
de ce matériau.
Ce premier chapitre s'articule autour de deux thèmes. Dans un premier temps,
quelques éléments bibliographiques concernant les bétons légers sont relatés, car ces
matériaux présentent certaines similarités avec le béton de chanvre. Elle permet de résumer
les principales caractéristiques de ce type de matériau dans les trois domaines abordés tout au
long de ce mémoire (mécanique, thermique et acoustique). Dans un deuxième temps, les
caractéristiques des constituants et du béton de chanvre sont exposées et leurs particularités
sont explicitées.
- 24 -
CHAPITRE 1 : Eléments bibliographiques et caractérisation expérimentale des matériaux
1. ELEMENTS DE BIBLIOGRAPHIE
1.1. Classification générale des matériaux de construction
Les matériaux de construction peuvent être classés en deux grandes catégories : les
matériaux traditionnels d’origine naturelle et les matériaux modernes composites.
Parmi les matériaux traditionnels, on distingue la pierre, la terre crue et le bois.
La pierre est d’utilisation très ancienne, s’expliquant par sa disponibilité (carrières), sa
grande résistance et sa durabilité. Cependant, elle est difficile à façonner et à mettre en œuvre
(poids). Aujourd’hui, la construction en pierre est devenue confidentielle. Elle se limite à des
travaux de rénovation de constructions anciennes.
La terre crue, matière première disponible, est d’une mise en œuvre aisée et peu
coûteuse (techniques de construction en pisé ou torchis et briques de terre crue). Ceci justifiait
son utilisation dans le passé, mais ce matériau économique a été peu à peu remplacé par
d’autres plus performants et plus chers dans les pays industrialisés. L’utilisation de la terre est
devenu l’apanage des pays en voie de développement (Brésil, pays africains…).
Le bois enfin, nécessitant peu de transformations et facile à travailler, était et reste
apprécié dans la construction pour ses propriétés mécaniques (résistance en traction) et son
pouvoir isolant. Il sert à fabriquer des structures porteuses, voire des habitations complètes.
Toutefois, le bois étant un matériau naturel, il présente des qualités variables selon l’âge,
l’essence, l’origine géographique, les conditions de séchage.
Parmi les matériaux récents, le plus employé est le béton, mélange composé de
granulats minéraux rigides, de ciment, de sable et d’eau. Cette formulation de base peut être
agrémentée d’adjuvants (produits rajoutés en faible quantité dans le mélange) de façon à
obtenir des propriétés particulières (fluidité du mélange, prise plus ou moins rapide…), voire
par d’autres constituants (acier pour béton armé ou précontraint, fibres) pour augmenter les
performances mécaniques. Ce matériau présente donc des propriétés structurelles
intéressantes et une bonne durabilité. Cependant, il a une masse volumique élevée d’où la
mise en place de fondations importantes pour supporter le poids des constructions. Par sa
masse synonyme d’une certaine inertie, il bloque la transmission des sons par vibrations
acoustiques et ralentit le transfert de la chaleur. Cet effet tampon compense en partie le fait
que le béton soit un matériau conducteur. Globalement, le béton est donc performant du point
- 25 -
de vue mécanique et du point de vue de l’isolation acoustique (limite la transmission) mais il
est moins intéressant du point de vue de l’isolation thermique.
De nouveaux matériaux sont alors apparus, rassemblés sous l'appellation de bétons
légers. Ces matériaux font référence à des bétons de masse volumique plus faible
(ρ < 1600 kg.m-3) que celle des bétons traditionnels et vise principalement une meilleure
isolation thermique. Ces matériaux sont obtenus par substitution des gravillons traditionnels,
qui peuvent être remplacés :
- par des granulats allégés
- par incorporation de bulles d’air (béton cellulaire).
C’est dans cette gamme de matériau que se situe le béton de chanvre, objet de l’étude.
La suite du chapitre fait une synthèse des caractéristiques et des phénomènes physiques liés à
ce type de matériau.
1.2. Types de granulats légers
1.2.1. Définition d’un granulat léger
Les granulats légers se différencient des autres granulats par leur faible masse
volumique. Celle-ci est inférieure à 1200 kg/m3, tandis que celle de la pierre naturelle est de
2700 kg/m3. L’écart de masse volumique s’explique par la porosité élevée du granulat φg,
c’est-à-dire une importante proportion volumique de vides d’air contenus dans le granulat. Cet
air sera appelé dans la suite du mémoire, air intra-particule.
granulat
scapillaireg V
V =φ (I.1)
avec Vcapillaires : volume des vides contenus dans le granulat (m3)
Vgranulat : volume total occupé par le granulat (m3)
1.2.2. Origine des granulats
Un certain nombre de granulats légers existe à l’état naturel, les autres étant obtenus
artificiellement par divers procédés chimiques. Parmi les granulats d’origine minérale
naturellement poreux, les plus fréquemment rencontrés sont les ponces ou les roches
sédimentaires comme les calcaires. Ils sont extraits de gisements et directement utilisables
dans les matériaux de construction.
Les autres granulats naturellement poreux sont d’origine végétale. Il s’agit pour la
plupart des déchets organiques qui trouvent dans la construction un moyen de valorisation
- 26 -
CHAPITRE 1 : Eléments bibliographiques et caractérisation expérimentale des matériaux
[HERRMANN & al., 98]. On peut ainsi citer le bois, la tige de maïs, la coque de noix de coco
[KHEDARI & al., 03], le bambou [LUIZ DE BARROS SALGADO, 00]. Ce type de produit
représente une production de quelques dizaines de milliers de m3 par an, ce qui reste encore
très faible. Ces granulats contiennent de nombreux capillaires, entraînant une porosité φg
élevée. Cependant, ils contiennent également des matières organiques à base de cellulose qui
les rendent réactifs vis à vis de certains constituants présents dans les liants hydrauliques. Un
traitement préalable est donc indispensable afin de les rendre inertes. Trois méthodes sont
employées [PIMENTIA & al., 94] :
- les traitements physiques : les composés organiques (type hémi-cellulose)
contenus dans le granulat sont isolés du milieu extérieur, soit en imprégnant le
granulat de résine ou de paraffine (imprégnation à cœur), soit en enrobant la
particule. Les fibres de celluloses peuvent également être détruites par un sel de
calcium d’un acide fort, créant d’innombrables microcavités dans le granulat.
- les traitements thermiques : ils détruisent les constituants cellulosiques à une
température de l’ordre de 280°C et limitent en même temps l’hygroscopie du
granulat.
- les traitements chimiques : ils remplacent les groupes hydroxyl (-OH) par des
groupements hydrophobes dans le même but que les traitements thermiques.
Actuellement, la stabilisation des particules végétales s’effectue plutôt par un traitement
chimique suivi d’un traitement thermique. Cependant, des recherches récentes réalisées par
l’E.S.S.T.I.B. (Ecole Supérieure des Sciences et Technologie de l’Industrie du Bois)
s’orientent préférentiellement vers un traitement physique d’imprégnation plus aisé et plus
économique à mettre en œuvre que les traitements thermiques ou chimiques.
D’autres granulats légers sont obtenus par un procédé chimique appelé expansion
(argile expansée…). A une température de l’ordre de 1000°C, la paroi des granulats devient
plastique et gonfle sous l’effet de dégagements gazeux (CO, CO2,O2, SO2, SO3…) générés par
la cuisson. Ceci les rend beaucoup plus légers que les granulats classiques avec une masse
volumique sèche ρgranulat comprise entre 800 et 1200 kg/m3. La gamme de variation de la
masse volumique sèche s’explique par une expansion plus ou moins poussée du granulat
(durée de chauffe, température de cuisson entre 1000 et 1250°C) et par une composition
chimique variable qui prédispose à ce phénomène. Enfin, plus l’expansion sera poussée et
plus le matériau deviendra coûteux à fabriquer compte tenu de l’énergie consommée dans les
fours de cuisson et du temps de la réaction chimique.
- 27 -
Le deuxième type de bétons légers regroupe les bétons cellulaires. Ils sont composés
d’une matrice solide de liant (mélange de chaux, de ciment et de sable) et de bulles d’air. La
phase granulaire contient uniquement des agrégats de taille inférieure à 80 µm. Les bulles
d’air sont obtenues par un phénomène d’expansion ou « levée de la pâte » d’origine chimique
ou mécanique.
Dans le cas d’une expansion chimique [ARNAUD, 93] [VILLAIN, 97], de la poudre
d’aluminium introduite dans le mélange s’oxyde en milieu basique (chaux) et libère de
l’hydrogène à l’origine d’un réseau dense de bulles dans le matériau encore à l’état visqueux.
Dans le cas d’une expansion mécanique, un agent saponifiant est intégré au mortier initial et
au contact de l’eau, il se forme une mousse qui génère des bulles d’air. Cette méthode permet
de gérer le processus de formation des pores en dosant correctement l’agent moussant
[NARAYANAN & RAMAMURTHY, 00a] et de répartir les pores de manière régulière dans
la matrice. Lorsque le matériau a atteint sa taille finale, une étape de cuisson par autoclavage
finit de cristalliser le béton cellulaire. On obtient un produit manufacturé de structure connue
et contrôlée donc de qualité constante malgré un coût énergétique élevé (fours de cuisson).
Le béton cellulaire est utilisé en construction pour la réalisation de murs et de
planchers légers. Il est commercialisé sous forme de panneaux ou de briques préfabriquées de
625 mm de long, 500 mm de large et d’épaisseurs 50, 70, 100 ou 300 mm.
1.3. Propriétés mécaniques des bétons légers
1.3.1. Porosités
Le béton est constitué de plusieurs éléments solides (granulat, liant) et de plusieurs
familles de vides dont la taille varie de quelques dizaines d'Angstrom (Å) à quelques
millimètres selon l'origine de ces porosités.
Les granulats possèdent une porosité intrinsèque appelée φg, due à la présence de l'air
intra-particule. Compte tenu de la taille caractéristique des capillaires (de l'ordre de la dizaine
de µm), la porosité du granulat sera qualifiée de porosité microscopique.
La matrice de liant contient également des vides d'air qui apparaissent au moment de
la prise des hydrates et du séchage du matériau. On parle d'air intra-liant qui permet de définir
la porosité intrinsèque du liant φl. La taille caractéristique des pores présents entre les hydrates
de Ca(OH)2 ou de C-S-H, varie entre 0,01 µm et 5 µm et la taille des pores générés par un
entraîneur d'air varie entre 5 µm et 1 mm [GAGNE, 03]. L'air intra-liant sera également
considéré comme de l'air microscopique.
- 28 -
CHAPITRE 1 : Eléments bibliographiques et caractérisation expérimentale des matériaux
liant
videsl V
V =φ (I.2)
avec Vvides : volume des vides contenus dans la matrice de liant (m3)
Vliant : volume total occupé par la pâte de liant (m3)
Enfin, l'arrangement plus ou moins compact des différents constituants entre eux
(empilement de granulats et du liant) crée des vides supplémentaires, à l'origine de la porosité
mésoscopique du matériau.
tV
videsVmeso =φ (I.3)
avec Vvides : volume des vides contenus dans le matériau autres que l'air intra-liant et intra-
particule (m3)
Vt : volume total occupé par le matériau (m3)
Air intra-particule
Granulat
Air mesoscopique
Liant
Air mesoscopique
Air intra-liant
Fig.I. 1: Porosités du béton
- 29 -
nom
mas
se (k
g)vo
lum
e (m
3 )26
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à 7
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CHAPITRE 1 : Eléments bibliographiques et caractérisation expérimentale des matériaux
1.3.2. Légèreté
L’emploi de granulats légers a pour première conséquence une diminution de 20 à
30 % de la masse volumique des bétons. A titre de comparaison (Tab.I. 1), la masse
volumique d’un béton hydraulique est de l’ordre de 2300 kg/m3 alors qu’elle se situe autour
de 1600 kg/m3 pour un béton d’argile expansée, entre 600 et 900 kg/m3 pour un béton de bois
et qu’elle varie entre 350 et 650 kg/m3 pour un béton cellulaire (norme NF P 14-306).
L’intérêt est d’avoir un matériau facile à mettre en œuvre lorsqu’il est vendu manufacturé
sous forme de parpaings. De plus, ce matériau allégé nécessite des fondations moins
importantes lors de la construction.
1.3.3. Comportement et performances mécaniques
Les granulats légers entraînent une modification du comportement et des niveaux de
performances mécaniques du béton. En effet, le granulat léger est poreux donc moins résistant
qu’un granulat usuel. Le fonctionnement mécanique et le mode de rupture des bétons légers
sont donc modifiés par rapport à ceux d’un matériau contenant des granulats rigides.
Si le béton contient des granulats rigides plus résistants que le mortier, ceux-ci
constituent les points durs du système. Les contraintes imposées au matériau, entraînent des
déformations notables dans le liant et négligeables dans le granulat. Des zones de
concentrations de contraintes naissent donc dans le mortier, qui fissure. L’adhérence entre les
granulats et le mortier étant insuffisante pour supporter les niveaux de sollicitation imposés, la
fissuration du mortier se produit autour des grains qui se décollent de la pâte de ciment. La
résistance du béton est donc pilotée par la résistance de la zone servant d’interface entre le
mortier et le granulat rigide.
A l’inverse, dans le cas du béton léger contenant des granulats de faible résistance, les
contraintes cheminent à travers la pâte, contournant les « points faibles » du matériau. Le
mortier subit des niveaux de sollicitation élevés et les déformations de la pâte et des granulats
sont importantes. Une fois les granulats écrasés, ils ne participent plus vraiment à la résistance
du matériau et le mortier finit par céder. La résistance en traction des granulats pilote donc la
résistance en compression du béton léger. Ce mode de rupture est possible car les granulats
légers possèdent une surface poreuse importante qui crée une excellente adhérence entre la
pâte et le grain. Ce n’est donc pas la liaison au niveau de la surface de contact qui est détruite
comme dans le cas de granulats rigides mais le granulat qui cède.
Une nuance existe cependant dans le cas de granulats très déformables même si leur
résistance reste modérée. En effet, sous l’effet des contraintes le mortier va se déformer et le
- 31 -
granulat va faire de même par contact granulat-mortier. Comme le granulat peut supporter des
niveaux de déformation supérieurs à ceux du mortier, c’est ce dernier qui va fissurer sous
l’effet des contraintes et le granulat, n’ayant pas atteint son seuil de rupture, ne sera pas
détruit. La rupture du béton se fait dans ce cas précis par rupture du mortier et non par rupture
des granulats. Ainsi, les caractéristiques des granulats sont déterminantes dans les
performances des bétons légers, comme le montrent entre autres le travail expérimental et
l’étude statistique de [CHI & al., 03].
Les niveaux de performances des bétons légers sont inférieurs à ceux des matériaux
usuels de construction, puisque les granulats légers possèdent une porosité propre φg, qui les
rend déformables. D’une manière générale, la résistance en compression à 28 jours et le
module d’élasticité E augmentent lorsque la porosité des granulats φg diminue. Des
campagnes expérimentales ont mis en relation performances mécaniques et masse volumique
ρ des bétons légers. Dans le cas de granulats d’argile expansée de type Liapor,
[ARNOULT,76] a obtenu une relation linéaire entre la résistance en compresson et la masse
volumique (Fig.I. 2).
Fig.I. 2: Résistance sur prisme en compression à 28 jours (MPa) en fonction de ρ [ARNOULD, 76]
Dans le cas du béton cellulaire, la grande proportion de vides d’air dans le matériau est
un facteur essentiel dans le niveau de performances. On distingue deux types de pores : les
macropores (diamètre supérieur à 60 µm) et les micropores (diamètre < 60 µm) avec une
répartition de ¾ de macropores pour ¼ de micropores.
- 32 -
CHAPITRE 1 : Eléments bibliographiques et caractérisation expérimentale des matériaux
Fig.I. 3: Répartition de la porosité de trois bétons cellulaires autoclavés en fonction du diamètre des pores [JACOBS & MAYER, 92]
Diverses formules empiriques ont été déterminées afin de prédire la résistance en
compression Rc et le module d’élasticité E du béton cellulaire autoclavé en fonction de la
porosité. On obtient Rc compris entre 1 et 5 MPa et E entre 20 et 30 MPa.
Tab.I. 2 : Formules empiriques reliant la résistance à la compression, la composition et la porosité [NARAYANAN & RAMAMURTHY, 00b]
Cependant, il faut nu
du type
Rc (MPa) constantes de calage paramètres
Feret modifié (béton avec
mousse)σ = K (1/(1+ w/c + a/c))n K, n w/c : ratio eau/ciment , a/c:
ratio air/ciment
Schiller σ = Ks.ln(Pcr / p)Ks, Pcr: porosité
correspondant à σ = 0p: porosité du béton
cellulaire
Balshin σ = σ0 (1 - p)n σ0: résistance à porosité 0 p:porosité du béton cellulaire
Module d'élasticiα: masse volumique sèche (g.cm-3)S: résistance à la compression sur cube en kg.cm-
té E Notations
3
1555 S0,7 S: résistance à la compression sur cube en kg.cm-3
3000 Sp Sp: résistance à la compression sur prisme en kg.cm-3
k: constante variant entre 1,5 et 2γsec: masse volumique sèche (kg.m-3)fc: résistance à la compression (MPa)c1, c2: constantesρ: masse volumique sèche (kg.m-3)
6000 (α)1,5 S
k γsec (fc)0,5
c1 (ρ - c2)
Tab.I. 3: Equations prédictives du module d’élasticité E du béton cellulaire [NARAYANAN & RAMAMURTHY, 00b]
ancer cette corrélation entre performances et porosité en fonction
de granulats légers et de la quantité employée dans le matériau. En effet, si le volume
occupé par les granulats est faible devant le volume de pâte de ciment, sa contribution à la
résistance du matériau sera négligeable quelles que soient ses caractéristiques. En revanche, si
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le volume de granulats devient suffisamment important, ses propriétés piloteront les
caractéristiques du matériau global.
Enfin, il convient de citer quelques travaux récents qui ont permis de concevoir des
bétons
1.3.4. Sensibilité à l’eau
Les granulats, poreux et perméables, permettent les transferts hydriques sous forme
liquide
ulté qu’a un matériau de laisser un fluide
s’écoul
1.3.4.1 L’absorption
par lequel un liquide migre de l’extérieur
vers l’
légers à hautes performances. [ROSSIGNOLO & al., 03] ont travaillé sur des
mélanges de granulats légers brésiliens (argiles expansées) dosés entre 224 et 293 kg/m3 et
des quantités élevées de ciment variant entre 440 et 710 kg/m3. Un ajout de fumée de silice, à
hauteur de 10 % en masse de ciment, est effectué. On obtient ainsi un matériau de masse
volumique autour de 1500 kg/m3. Les résistances en compression à 7 jours s’étalent entre 40
et 55 MPa et les modules de rigidité de Young varient entre 12 et 15 GPa. D’autres travaux
ont porté sur l’amélioration de la qualité de la matrice [TAMBA & al., 01] et sur des ajouts
d’argile dans les bétons de bois [AL RIM & al., 96], [BOUGUERRA & al., 98] . Les
résistances en compression finales sont comprises entre 7 et 24 MPa pour des masses
volumiques entre 1178 et 1540 kg/m3. Enfin, [SCHINK, 03] rajoute des fibres métalliques
dans les bétons légers afin d’obtenir des Bétons Hautes Performances allégés.
et sous forme vapeur. Dans le cas d’eau liquide, on parle d’absorption et dans le cas
d’eau vapeur, on parle de sorption-désorption.
La perméabilité Πm représente la fac
er en son sein, sous l’effet d’un gradient de pression. Cette propriété de perméabilité
n’existe donc que si le matériau possède une porosité non négligeable et que celle-ci est
connectée. En revanche, un matériau peut être très poreux (i.e. le béton cellulaire) et peu
perméable car les pores, non reliés entre eux, ne constituent pas des chemins continus, dans
lesquels le fluide peut s’écouler. Porosité et perméabilité sont donc liés mais le premier
n’implique pas forcément le deuxième.
L’absorption est un phénomène physique
intérieur d’un milieu poreux grâce à un phénomène de remontées capillaires.
L’absorption entraîne un gain de masse du matériau. Pour expliquer la capillarité, prenons un
tube cylindrique de diamètre 2r, jouant le rôle d’un capillaire, dont on plonge la base dans un
bac rempli d’eau liquide. L’eau monte dans le tube jusqu’à une hauteur donnée, et il se forme
un ménisque à la surface du liquide. Cette hauteur d’équilibre est liée au rayon de courbure du
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CHAPITRE 1 : Eléments bibliographiques et caractérisation expérimentale des matériaux
ménisque, lui-même dépendant du rayon du capillaire. La pression de vapeur d'équilibre au-
dessus du ménisque ou pression de capillarité Pc, dépend également de ce rayon et vaut :
r
P mlv ασ cos 2 = (I.4) c
vec σlv : tension de surface à l’interface liquide va
La pression de vapeur saturante (Pvs) est la pression pour laquelle l’air contient la
quantit
Fig.I. 4 : Remontée d’eau dans le tube par pression capillaire
Pour donne m a une pression
capillai
a peur (0,072 N.m-1 à T = 20°C)
αm : angle de mouillage de l’eau sur le granulat (rad)
é maximale de vapeur d’eau à une température T donnée. L’angle de mouillage αm
correspond à l’inclinaison du ménisque le long de la paroi.
AIR
EAU ANGLE αm
r une ordre de grandeur, un capillaire de rayon 100 µ
re de 1440 Pa si on considère que le granulat est parfaitement mouillé (cosαm = 1). Ce
résultat est interprétable en terme de hauteur de remontées capillaires hc avec à l’équilibre :
ρw g hc = Pc (I.5)
w
md’où lvc gr
hρ
ασ
(I.6)
Une pression de 1 440 Pa correspond alors à une hauteur d’eau de 14,4 cm. Pour un
capilla
ependant, l'absorption n’est possible que si les capillaires du réseau poreux
commu
cos 2 =
ire de 10 µm de diamètre, la pression atteint 14 400 Pa soit une hauteur d’eau de 1,44
mètres. Ces pressions élevées expliquent la cinétique rapide du phénomène d’absorption
d’eau par les matériaux poreux. De plus, les hauteurs de remontées capillaires laissent à
penser que les pores contenus dans les matériaux se remplissent totalement.
C
niquent pour permettre le transfert de l’eau : on parle alors de porosité ouverte φouverte
ou connectée. Lorsque le matériau contient des pores emprisonnés comme dans le cas du
- 35 -
béton cellulaire, on parle de pores occlus. Ces pores ne participent pas au phénomène
d’absorption (Fig.I. 5).
Fig.I. 5 : Trois types de porosité présente dans les matériaux
Une étude expérimentale menée par Vaquier dans [ARNOULD chap.7, 76] a mis en
évidence le rôle de la microstructure dans l’absorption en comparant le type et la distribution
par taille des pores de quatre granulats légers (Tab.I. 4) et en analysant les conséquences sur
A l’état frais, le Tradichanvre présente une masse volumique moyenne ρ de
1750 kg/m3 soit une proportion initiale d'air de 7 %. A T = 20°C et H ambiant = 40 %, on 3 ρ ≈ 1400 kg/m soit une proportion d'air de l’ordre de 42 %. Après séchage en étuve,
cette proportion atteint 48 % (Fig.I. 20).
00 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
200
400
600
160
jours
800
1000
1200
1400
0
ε (x1
e5)
1800
AXIAL
RADIAL
A4 - 1 / 19 %
- 54 -
CHAPITRE 1 : Eléments bibliographiques et caractérisation expérimentale des matériaux
Fig.I. 19 : Composition massique et volumique du T70 à l’état frais et après séchage à l’air ambiant (HR = 40 %) et à HR = 0 %.
radichanvre à l’état frais et après séchage à l’air ambiant HR = 40 % et à HR = 0 %.
M (kg) V (m3) M (kg) V (m3)
0 air 0,1311450 1,000 1130 1,000
M (kg) V (m3)
150 eau 0,150
1075 1,000
925
925 grains liant
205
grains liant 0,344
0,344
% (ambiant)
HR = 0%
eau
grains liant 0,344925
525eau 0,205
0,4510
0 air 0,506
0,525
air
Liant frais HR = 40
M
47 1,000 1398 1,000
(kg) V (m3) M (kg) V (m3)
98 eau 0,098
0 air 0,070
1300 grains liant 0,483
447 0,447eau
1300grains liant 0,483
Fig.I. 20 : Composition massique et volumique du T
17
M (kg) V (m3)
Liant frais HR = 40% (ambiant)
0 air
0,483
0,419
HR = 0%
40 eau 0,040
1340 1,000
0 air 0,477
grains liant1300
- 55 -
Conditions de réalisation des essais
La cinétique de séchage des liants a été étudiée sur 65 échantillons, conservés dans des
moules cylindriques en carton étanche de 11 cm de diamètre et 22 cm de hauteur et stockés
dans une salle maintenue à T = 20°C et HR = 50 %. Le séchage s’effectue uniquement par la
face supérieure des éprouvettes, mesurant 100 cm2. Les pesées sont réalisées en préambule
des essais de caractérisation mécanique. On obtient ainsi les variations de masse des liants,
pour diverses échéances comprises entre 7 jours et 24 mois.
Courbes expérimentales de séchage
La cinétique du séchage des deux liants est étudiée au travers de quatre courbes,
représentant :
- le pourcentage de pertes massiques en fonction du temps (Fig.I.21)
- la teneur en eau massique ω en fonction du temps (Fig.I.22)
- la vitesse d’évaporation en fonction du temps (Fig.I.23)
- la vitesse d’évaporation en fonction de la teneur en eau massique (Fig.I.24)
Ces courbes permettent de s vitesses de séchage sont
constantes et les teneurs en eau critique pour chaque liant.
définir les périodes durant laquelle le
0
5
10
15
20
25
0 5 10 15 20 25MOIS
% p
erte
s m
assi
ques
Liant T70Liant Tradichanvre
Fig.I. 21 : Pourcentage massique de pertes du T70 et du Tradichanvre en fonction du temps
- 56 -
CHAPITRE 1 : Eléments bibliographiques et caractérisation expérimentale des matériaux
0%
5%
10%
25%
30%
35%
Liant T70Liant Tradichanvre
15%
20%
0 25
ω (%
)
5 10 15 20MoisFig.I. :
Fig.I. 23 : Vitesse d’évaporation de l’eau en fonction du temps
22 Teneur massique en eau ω du T70 et du Tradichanvre en fonction du temps
0
100
200
300
400
500
0 5 10 15 20 25MOIS
V éva
p (g/
(j.m
²)) .
600
Liant T70Liant Tradichanvre
PERIODE OU LA VITESSE
D'EVAPORATION EST CONSTANTE
- 57 -
0
100
200
300
400
500
600
0% 5% 10% 15% 20% 25% 30% 35%ω (%)
V éva
p. (g
/(j.m
²))
Liant T70Liant Tradichanvre
TENEUR EN EAU CRITIQUE
Fig.I. 24 : Vitesse d’évaporation de l’eau en fonction de la teneur en eau ω du matériau
Interprétation des résultats
Les courbes correspondant au séchage des deux liants montrent un découpage
temporel en quatre étapes au cours desquelles la cinétique du phénomène varie.
La première étape dure 1 mois environ pour chacun des deux liants. Elle correspond à
une perte d’eau importante dans le matériau, avec une vitesse d’évaporation très élevée. Les
teneurs en eau ω sont initialement de 37 % pour le T70 et de 36 % pour le Tradichanvre. Les
teneurs en eau ω au bout d’un mois sont de 26 % pour le T70 et de 19 % pour le
Tradichanvre. En calculant le volume d’eau correspondant à ces variations de teneurs en eau,
on trouve que les deux liants ont perdu un volume d’eau équivalent, de l’ordre de 0,11 m3
d’eau par m3 de liant frais.
La deuxième étape correspond à la période de séchage à vitesse Vévap constante. Cette
phase correspond au transfert interne d’humidité vers la surface par effets capillaires. Elle
s’étend de 1 à 4 mois pour le Tradichanvre et de 1 à 9 mois pour le T70. Cette différence
s’explique par une quantité d’eau initiale plus importante dans le T70 par rapport au
Tradichanvre, qui p urface en eau. Les
onditions externes (géométrie, surface de séchage) jouent un rôle prépondérant au cours de
ossède donc une réserve plus faible pour alimenter la s
c
- 58 -
CHAPITRE 1 : Eléments bibliographiques et caractérisation expérimentale des matériaux
cette étape. Les deux vitesses Vévap obtenues, sont très proches, ce qui s’explique par des
conditions hydriques externes identiques pour les deux liants.
La troisième étape s’étend de 4 à 15 mois pour le Tradichanvre et de 9 à 24 mois pour
le T70. Le cœur du matériau ne contient plus assez d’eau pour compenser les pertes de surface
et la vitesse Vévap décroît lentement. Cette étape est plus courte pour le Tradichanvre car la
quantité d’eau disponible est plus faible que pour le T70.
La dernière étape correspond à un état d’équilibre hydrique du liant dans des
conditions thermodynamiques ambiantes. On peut considérer que le séchage des échantillons
est terminé au bout de deux ans.
2.1.4. Propriétés mécaniques du liant pur
Les deux liants présentent un comportement à la rupture de type fragile. Pour chaque
échéance, des essais de compression monotone et cyclique sont réalisés pour obtenir les
valeurs de σmax (maximum de contrainte supporté par le matériau), E (module d’Young), ν
(coefficient de Poisson),
paramètres sont définis précisément dans le chapitre consacré au comportement mécanique du
béton de chanvre.
εσmax (déformation au niveau du maximum de contrainte). Ces
Tab.I. 12 : Comparaison entre les valeurs expérimentales et théoriques de la conductivité thermique du chanvre en vrac pour deux valeurs de masse volumique
- 72 -
CHAPITRE 1 : Eléments bibliographiques et caractérisation expérimentale des matériaux
Fig.I. 39 : Le chanvre en vrac comme matériau de remplissage dans les planchers et les murs (Mens – 2002)
On constate également l’influence de la masse volumique sur la variation de
entation de 41 % de ρc entraîne une élévation de 20 % du λc
de valeurs inférieures à celle des matériaux de construction usuels (béton cellulaire,
Une méthode théorique d’homogénéisation a ensuite perm
λc. Une
augm , tout en restant dans une
gamme
bois…).
is de définir une loi
d
On obtient ainsi la gamme de variations de la conductivité thermique pour une masse
llement rencontrée pour du chanvre en vrac.
Fig.I. 40 : Conductivité thermique théorique du chanvre en vrac en fonction de sa masse volumique
’évolution de la conductivité en fonction de la masse volumique (Fig.I. 40) [CORDIER, 99].
volumique voisine de 130 kg/m3, valeur usue
0,040
0,045
λ (W
/(
0,050
100 120 140 160ρ chanvre en vrac (kg.m-3)
m 0,055
0,060
0,065
.K))
ModèleExpérience
- 73 -
2.3. Le béton de chanvre
2.3.1. Caractéristiques générales
Le béton de chanvre est un matériau composite obtenu en mélangeant un liant à base
de chaux, des particules végétales et de l’eau. Il présente des masses volumiques initiales
inférieures à 1000 kg/m3 et des masses volumiques sèches allant de 200 à 600 kg/m3, ce qui
est comparable aux valeurs rencontrées dans le cas du béton de bois ou du béton cellulaire.
Ce matériau présente une variabilité de structure en fonction de la formulation
employée, selon que l’un ou l’autre des constituants sera prépondérant dans le mélange.
Lorsque le dosage en liant est faible par rapport à celui en granulats végétaux, le matériau
peut être vu comme un assemblage de particules reliées entre elles par des ponts de liant.
Cette struc e ce type
de matériau sont proches de celles de la particule, c’est-à-dire bon isolant thermique et faibles
caractéristiques m
s particules (effets de tassement à long terme des matériaux de remplissage).
Fig.I. 41 : Béton de chanvre contenant une faible quantité de liant (formulation Toit1)
Lorsque le dosage en liant est fort, les particules sont noyées dans une matrice de liant
continue (Fig.I. 42). Le comportement du matériau se rapproche de celui du liant pur.
ture se rapproche de celle du chanvre en vrac (Fig.I. 41). Les propriétés d
écaniques. Le béton de chanvre faiblement dosé en liant sera plutôt utilisé
comme matériau de remplissage des murs, le liant jouant le rôle de stabilisateur de la
structure. Il évite notamment les variations dimensionnelles de l’ensemble sous le poids
propre de
1 Les caractéristiques de cette formulation seront détaillées dans le § 2.3.4.4
- 74 -
CHAPITRE 1 : Eléments bibliographiques et caractérisation expérimentale des matériaux
Fig.I. 42 : Béton de chanvre contenant une grande quantité de liant (formulation A3-2)
Entre ces deux dosages extrêmes, la structure du béton de chanvre s’apparente à celle
d’un empilement d’éléments, constitués d’une particule végétale entourée d’un mince film de
liant (Fig.I. 43). Les propriétés de ce type de matériau sont donc intermédiaires entre celles du
liant et celles des particules végétales.
Fig.I. 43 : Béton de chanvre avec un dosage en liant intermédiaire
atériau
ent liées à la st
2.3.2. Propriétés de ce m
Les propriétés sont étroitem ructure et vont donc être assez variables.
Cependa me des
perform
faibles
(plafonnées par les caractéristiques du liant) et ne permettent pas pour l’instant d’en faire un
matériau porteur. Actuellement, une solution avec structure porteuse en bois apparente ou
noyée est employée (Fig.I. 44).
nt, il est possible de donner quelques indications générales, afin de voir la gam
ances, dans laquelle le béton de chanvre se situe.
La résistance en compression et le module de rigidité sont globalement
- 75 -
Fig.I. 44 : Murs en briques préfabriquées avec structure porteuse en bois (Mens, Isère - 2002)
En thermique, la présence des granulats de chanvre améliore les performances en
isolation, la conductivité sèche du matériau final étant inférieure à 0,24 W/(m.K), qui
représente la conductivité du liant seul. De plus, la grande sensibilité à l’eau du matériau va
avoir un impact sur la conductivité thermique. Ce point sera détaillé dans le chapitre 3.
En acoustique, les premiers essais montrent des niveaux d’absorption supérieurs à
50 % pour des fréquences allant de 100 à 2000 Hz. Une étude plus précise exposée au
chapitre 4 complètera ces résultats.
2.3.3. Caractère évolutif des propriétés
La prise du liant s’étale sur plusieurs années (chaux aérienne) comme le montrent les
essais réalisés s percute sur les
aractéristiques du béton de chanvre qui varient dans le temps. Les essais de caractérisation
isés à des intervalles de trois mois en moyenne, pour
une période de conservation comprise entre 21 jours et 24 mois.
blèmes de mise en œuvre sont exposées ci-dessous.
ur le T70 et le Tradichanvre. Cette prise lente se ré
c
des propriétés mécaniques sont donc réal
2.3.4. Fabrication des échantillons
Compte tenu du comportement des constituants du béton de chanvre, un protocole de
fabrication particulier a été mis en place afin de pouvoir réaliser des essais reproductibles et
représentatifs des caractéristiques réelles du matériau [COUEDEL, 98]. Les principales étapes
de la réflexion menée sur ces pro
- 76 -
CHAPITRE 1 : Eléments bibliographiques et caractérisation expérimentale des matériaux
2.3.4.1 Rôle de l’eau
L’eau introduite dans le mélange frais est divisée en deux parties, l’eau de pré-
mouillage et l’eau de gâchage. L’eau de pré-mouillage a pour rôle d’humidifier les granulats
poreux de façon à neutraliser leur fort pouvoir absorbant et éviter qu’ils ne perturbent par la
suite la prise du liant. L’eau de gâchage sert à l’hydratation de la chaux hydraulique contenue
dans le liant. Les composants sont introduits dans l’ordre suivant :
- chanvre
- eau de pré-mouillage des particules
- liant
- eau de gâchage
Ce choix de mise en œuvre présente un double avantage. Tout d’abord, les particules pré-
mouillé
r leur
volume
e du béton frais
Le m n valseur de 80 litres afin d’obtenir une
bonne homogénéisation des composants, sans les abîmer. Les durées des différentes étapes de
malaxa
es ne monopolisent pas l’eau utile à l’hydratation du liant et ne perturbent donc pas la
prise. Elles jouent également un rôle de réservoir en eau au cours de la prise. Ensuite, elles
deviennent moins sensibles à un écrasement potentiel lors du mélange avec le liant dans le
malaxeur, puisqu’elles sont remplies d’eau. En effet, les particules doivent conserve
initial donc leur porosité pour jouer un rôle du point de vue thermique et acoustique.
2.3.4.2 Mise en oeuvr
élange se fait dans un malaxeur à trai
ge doivent être suffisamment longues pour permettre une bonne homogénéisation et
suffisamment courtes pour éviter de laisser trop d’eau s’évaporer dans l’air ambiant. On
distingue ainsi :
Temps (mn) But malaxage des particules 2 mn séparer les particusèches
les et éviter la formation de petites pelotes végétales
ajout de l’eau de pré-ge
5 mn saturation des particules en eau mouillaajout de la chaux et malaxage 2 mn ajout dmélange
e l’eau de gâchage et 5 mn hydratation du liant et amorce de la prise
Tab.I. 13 : Etapes de fabrication du béton de chanvre
2.3.4.3 Confection des éprouvettes
Le mélange à l’état frais contient une quantité importante de particules compressibles.
Les essais sur le mode de fabrication ont montré qu’il ne fallait pas compacter des couches
- 77 -
d’épaisseur supérieure à 8 cm car cela entraînait une perte d'homogénéité des échantillons sur
la haut
de 200 cm2. Ceci permet
d’arranger les particules sans les endommager. Le processus de réalisation des éprouvettes
peut donc se résu er en trois étapes que l’on répète autant de fois que nécessaire pour remplir
les moules.
- oule sur une épaisseur de 7 à 8 cm
m d’épaisseur sont fabriquées. En acoustique, des prismes de hauteur 10, 20 et 30 cm et de
cm sont util chantillons sont liées aux dispositifs de
mesures (boîtes therm
s’est attaché à chaque f
travailler sur le même matériau (structure microscopique comparable).
s co ns d ent rencontrées
tte d n de hanvre séchant dans un mur est soumise à une
ace les vec le
érieur. En disposant les éprouvettes horizontalement sur des étagères, on se retrouve
dans une configuration identique avec les côtés isolés de l’ambiance extérieure.
En revanche, les dalles des mesures thermiques sont démoulées au bout de 24 heures
La cinétique du phénomène de séchage n’a
guère d
eur de l’éprouvette. En effet, les frottements du matériau contre les parois du moule
sont importants et entraînent un tassement non homogène des couches trop épaisses de
matériau frais. De plus, dans un souci de reproductibilité, les échantillons sont tassés à l’aide
d’une presse electromécanique de type M.T.S. sous une contrainte de compactage de 0,05
MPa, ce qui correspond à une force de1 kN pour une surface
m
Verser du béton de chanvre dans le m
- Réarranger les granulats grossièrement à la main
- Compacter avec la presse MTS sous 0,05 MPa
Dans le cadre de cette thèse, plusieurs moules ont été utilisés selon le type d’essais à
réaliser. En ce qui concerne les aspects mécaniques, des moules cylindriques en carton sont
utilisés (hauteur 320 mm et diamètre 160 mm). En thermique, des dalles de 27 cm de côté et 5
c
côté 8,5 isés. Ces différentes tailles d’é
iques, tube de Kundt) dont les dimensions sont imposées. Toutefois, on
ois à ne pas choisir de moule de taille trop petite vis à vis de la taille
des hétérogénéités (i.e. les particules dont la taille caractéristique est de l’ordre du
centimètre). On a ainsi des échantillons représentatifs des propriétés globales du béton de
chanvre. L’utilisation du même procédé de fabrication, quel que soit le moule, permet de
Les éprouvettes testées en mécanique sont conservées dans leur moule dont le fond a
été retiré afin de reproduire le nditio e séchage symétriques, réellem
dans un mur. En effet, une caro e béto c
circulation d’air entre ses deux f
milieu ext
s mais surfaces latérales ne sont pas en contact a
et elles sèchent ainsi jusqu’au moment des essais.
’importance dans ce cas, car la mesure porte sur la valeur finale de la conductivité
thermique (i.e. après prise du liant et après séchage de l’échantillon).
- 78 -
CHAPITRE 1 : Eléments bibliographiques et caractérisation expérimentale des matériaux
Pour des raisons techniques, il n’a pas été possible de démouler les prismes testés en
acoustique comme cela a été fait en thermique. Ceux-ci sèchent donc dans leur moule, ce qui
ralentit le phénomène et décale d’autant les mesures expérimentales. En effet, il est
indispensable que les échantillons adhèrent parfaitement aux parois pour éviter les vides d’air
qui perturbent les mesures d’absorption au tube de Kundt. L’inconvénient inhérent à ce
dispositif de mesure concerne le rôle de la structure dans le comportement acoustique. On
mesurera l’absorption du béton de chanvre sur un support (le moule) infiniment rigide
(structure multicouche), au lieu de déterminer l’absorption du matériau seul.
Les différents essais effectués au cours des années précédentes ont montré qu’une
exposition à u i le
liant de faire p e ) grâce à la carbonatation
et l’intérieur d l (phénomène de farinage).
’air plus sec contient moins de vapeur d’eau, qui véhicule le CO2 nécessaire à la
carbon
Pour ce qui est du choix des formulations du béton de chanvre, la démarche se
décomp
gâchage d’un
facteur
n a r trop sec provoquait un séchage trop rapide de l’éprouvette empêchant
ris correctement. La surface durcissait (effet de peau
e ’échantillon perdait complètement sa cohésion
L
atation de la chaux. La prise est donc interrompue. A l’inverse, des conditions de
conservation à HR = 100 % ont été testées. La prise durait alors beaucoup plus longtemps et
les moules en carton se dégradaient.
Finalement, les conditions de conservation suivantes ont été choisies :
- Température de 20°C
- Taux d’humidité relative HR de 50 %
Elles correspondent à une ambiance climatique naturelle et permettent de reproduire des
conditions réelles d’utilisation du matériau.
2.3.4.4 Formulations testées
ose en deux étapes.
Dans un premier temps, les quantités d’eau de gâchage et de pré-mouillage à
introduire en fonction de la quantité de liant et de particules employées sont calculées de
manière théorique [COUEDEL, 98]. Puis, une large gamme de mélanges est déterminée en
modifiant les proportions de liant et de particules. A partir de deux formules nommées A3-1
et A4-1 servant de référence, on a fait varier la quantité de liant et d’eau de
k pouvant être 0,75 – 1,5 ou 2. Ceci signifie que l’on a multiplié la quantité de liant et
d’eau de gâchage par k tout en conservant constantes les quantités de particules et d’eau de
pré-mouillage. On obtient ainsi les différentes formulations A3-k et A4-k.
- 79 -
Chanvre Liant A Eau Chanvre Liant A Eau A4-1 110 190 335 17,3% 29,9% 52,8%