N° d’ordre 2005ISAL0037 Année 2005 Thèse Propriétés mécaniques, thermiques et acoustiques d'un matériau à base de particules végétales: approche expérimentale et modélisation théorique Présentée devant L’Institut National des Sciences Appliquées de Lyon Réalisée à L’Ecole Nationale des Travaux Publics de l'Etat Pour obtenir Le grade de docteur Formation doctorale : Génie Civil École doctorale : Mécanique, Energétique, Génie Civil et Acoustique (MEGA) Par Véronique CEREZO Soutenue le 16 juin 2005 devant la Commission d’examen Jury MM. Directeur de Thèse (ENTPE) L. ARNAUD Docteur HDR Directeur de Thèse (ENTPE) C. BOUTIN Docteur HDR Rapporteur M.RINAUDO Professeur J.J.ROUX Professeur Rapporteur K. VAN BALEN Professeur Invité C.BOYEUX Ingénieur Invité D.DARVILLER Docteur
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N° d’ordre 2005ISAL0037 Année 2005
Thèse
Propriétés mécaniques, thermiques et acoustiques d'un matériau
à base de particules végétales: approche expérimentale
et modélisation théorique
Présentée devant
L’Institut National des Sciences Appliquées de Lyon
Réalisée à L’Ecole Nationale des Travaux Publics de l'Etat
Soutenue le 16 juin 2005 devant la Commission d’examen
Jury MM.
Directeur de Thèse (ENTPE) L. ARNAUD Docteur HDR Directeur de Thèse (ENTPE) C. BOUTIN Docteur HDR Rapporteur M.RINAUDO Professeur J.J.ROUX Professeur Rapporteur K. VAN BALEN Professeur Invité C.BOYEUX Ingénieur Invité D.DARVILLER Docteur
2005 SIGLE ECOLE DOCTORALE NOM ET COORDONNEES DU RESPONSABLE
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M. Franck WAGNER Université Claude Bernard Lyon1 Institut Girard Desargues UMR 5028 MATHEMATIQUES Bâtiment Doyen Jean Braconnier Bureau 101 Bis, 1er étage 69622 VILLEURBANNE Cedex Tél : 04.72.43.27.86 Fax : 04 72 43 16 87 [email protected]
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- 3 -
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- 4 -
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- 5 -
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- 6 -
REMERCIEMENTS
Cette thèse s’est déroulée au laboratoire Géomatériaux de l’Ecole Nationale des
Travaux Publics de l’Etat. Je tiens à remercier ceux qui ont permis l’aboutissement de ce
travail.
Je remercie les Professeurs Koenraad Van Balen de l’université de Louvain et
Marguerite Rinaudo du CERMAU à Grenoble, qui ont accepté de rapporter ce travail de
thèse.
Je remercie également le Professeur Jean-Jacques Roux de l’INSA de Lyon, qui a
accepté de participer à ce jury de thèse.
Messieurs Claude Boutin et Laurent Arnaud, Docteur HDR au Laboratoire
Géomatériaux, ont accepté de diriger ma thèse à l’ENTPE. Je les en remercie, ainsi que pour
les corrections qu’ils ont apportées à ce mémoire de thèse.
Ce travail est basé sur une approche expérimentale des propriétés, qui a constitué le
point de départ des réflexions menées sur le comportement du béton de chanvre. Je remercie
donc madame Monique Loriot, technicienne au Laboratoire Géomatériaux, pour sa
contribution à la réalisation de la phase expérimentale, ainsi que madame Véronique Vidal et
monsieur Sébastien Gubian, ouvriers au Laboratoire Géomatériaux, pour l’aide qu’ils m’ont
apporté lors de la fabrication des matériaux testés.
Je n’oublierai pas monsieur Michel Gothié, Directeur de Recherche au CETE de Lyon,
pour sa patience et son soutien tout au long de la phase de rédaction et monsieur Frédéric
Novellas, Directeur du Laboratoire Régional des Ponts et Chaussées de Lyon, pour sa
confiance et le temps qu’il m’a laissé pour conclure ma thèse.
Enfin, j’ai une pensée pour ma famille et mes amis, qui ont dû subir mes moments de
doutes.
- 9 -
RESUME
Ce mémoire de thèse est consacré à l'étude des propriétés mécaniques, thermique et
acoustique du béton de chanvre. Ce matériau est obtenu en mélangeant un liant à base de
chaux, des particules végétales et de l’eau. Ces dernières possèdent une porosité intrinsèque
importante, du fait de la présence de capillaires. Ceux-ci rendent les particules légères,
compressibles et sensibles à l'eau. Le liant contient un mélange de chaux hydraulique et
aérienne. Le mélange de ces deux constituants de nature et de caractéristiques très différentes
conduit à un matériau dont les propriétés seront variables en fonction des concentrations
volumiques de chaque constituant. De plus, ce matériau se distingue par un double réseau de
pores, l'un de taille microscopique (10 à 40 µm) et l'autre de taille mésoscopique (< 1 mm).
On montre expérimentalement que ces deux réseaux sont connectés.
Du point de vue mécanique, le béton de chanvre se caractérise par un comportement
élasto-plastique. La résistance en compression varie entre 0,25 et 1,15 MPa. Le module
d'élasticité est compris entre 4 et 170 MPa. Ces valeurs sont modestes par rapport à celles des
autres matériaux de construction. En revanche, ce matériau peut supporter des niveaux de
déformations élevés (0,04 < εσmax < 0,15). En s'appuyant sur les observations expérimentales,
une modélisation par homogénéisation autocohérente est réalisée. Celle-ci permet d'obtenir un
modèle prédictif de la valeur du module d'élasticité pour des formulations et des niveaux de
compactage variables.
Ensuite, une étude des transferts de chaleur et de masse au sein du matériau sous
diverses hygrométries est menée. On a quantifié expérimentalement la sensibilité du matériau
à l’hygrométrie ambiante HR. Des campagnes de mesures ont déterminé la conductivité
thermique sèche et humide du béton de chanvre pour des formulations et des compactages
différents. Un modèle autocohérent est également mis en œuvre en utilisant deux types de
motif générique. Il permet de retrouver les résultats expérimentaux avec une bonne fiabilité.
Enfin, une première caractérisation de l'absorption acoustique du béton de chanvre est
réalisée. Elle montre des niveaux d'absorption élevés sur toute la gamme de dosages étudiés
(α > 0,5). Ce travail exploratoire met également en lumière un comportement proche de celui
d'un milieu à double porosité.
- 11 -
ABSTRACT
This thesis deals with the measurement of physical properties (mechanical, thermal,
acoustical) of various formulations of concrete containing vegetable particles. Such material
is made up with hemp shives mixed with lime binders. Shives are very porous considering the
ratio of capillaries. That fact explains that particles are lightweight, sensible to water and they
can be highly strained. The ductile binder is a mixed between hydraulic and aerated lime with
sometimes a volume of sand. Depending on the binder proportion, three microstructures of
concrete are determined. Moreover, this material presents a microscopic porosity (shives) and
a macroscopic porosity. These networks are connected.
Vegetable concrete presents a ductile behavior. . The maximum stress and the Young
modulus are limited as compare to other building materials but the bearable level of strain is
rhigh. A theoretical model made with self-consistent method allows to calculate the Young
modulus as a function of the mixture proportion and the compactness level. A comparison
with experimental measurements shows a good accuracy of the results.
Then, the dry thermal conductivity of vegetable concrete is studied. Considering its
high sensibility to water, the level of sorption and the impact on thermal conductivity are
evaluated. A self-consistent method leads to a model of dry and wet conductivity taking into
account the physical properties (proportions, compactness) and the hygrometry.
Lastly, the sound absorption of vegetable concrete is measured. The values are high.
This first step in the study of the acoustical properties shows a behavior, which can be
1. Eléments de bibliographie ____________________________________________ 251.1. Classification générale des matériaux de construction ____________________ 251.2. Types de granulats légers __________________________________________ 26
1.2.1. Définition d’un granulat léger___________________________________ 261.2.2. Origine des granulats _________________________________________ 26
1.3. Propriétés mécaniques des bétons légers ______________________________ 281.3.1. Porosités ___________________________________________________ 281.3.2. Légèreté____________________________________________________ 311.3.3. Comportement et performances mécaniques _______________________ 311.3.4. Sensibilité à l’eau ____________________________________________ 34
2. Caractérisation expérimentale des constituants __________________________ 482.1. Le liant ________________________________________________________ 48
2.1.1. Composition chimique ________________________________________ 482.1.2. Prise de la chaux _____________________________________________ 502.1.3. Cinétique de séchage du liant pur ________________________________ 512.1.4. Propriétés mécaniques du liant pur_______________________________ 592.1.5. Propriétés thermiques _________________________________________ 612.1.6. Propriétés acoustiques_________________________________________ 62
2.2. Les particules de chanvre __________________________________________ 632.2.1. Historique sur le chanvre ______________________________________ 632.2.2. Processus d’obtention des granulats végétaux ______________________ 632.2.3. Caractéristiques physiques des particules végétales__________________ 652.2.4. Sensibilité à l’eau de la particule végétale _________________________ 672.2.5. Comportement en compression des particules ______________________ 702.2.6. Comportement thermique ______________________________________ 72
2.3. Le béton de chanvre ______________________________________________ 742.3.1. Caractéristiques générales______________________________________ 742.3.2. Propriétés de ce matériau ______________________________________ 752.3.3. Caractère évolutif des propriétés ________________________________ 762.3.4. Fabrication des échantillons ____________________________________ 76
1. Approche expérimentale du Comportement _____________________________ 851.1. Répétabilité dans la fabrication des échantillons ________________________ 851.2. Considérations préliminaires _______________________________________ 86
1.3. Préparation des essais _____________________________________________ 901.3.1. Surfaçage des échantillons _____________________________________ 901.3.2. Dispositif d’essais ____________________________________________ 921.3.3. Détermination des paramètres caractéristiques______________________ 931.3.4. Cinétique du phénomène de prise________________________________ 951.3.5. Répétabilité et reproductibilité des essais de compression monotone et cyclique 96
1.4. Courbes expérimentales ___________________________________________ 971.4.1. Allure générale des courbes contraintes – déformations ______________ 971.4.2. Cas de la formulation faiblement dosée en liant (Toit)_______________ 1001.4.3. Relation entre maximum de contrainte et cinétique de prise __________ 101
1.5. Résultats des essais sur le béton de chanvre à base de T70 _______________ 1021.5.1. La contrainte maximale σmax___________________________________ 1031.5.2. Le module d’élasticité E ______________________________________ 1051.5.3. La déformation au niveau du maximum de contrainte εσmax __________ 1071.5.4. Le coefficient de Poisson ν____________________________________ 1091.5.5. Conclusion ________________________________________________ 109
1.6. Résultats des essais sur l’enduit à base de Tradichanvre _________________ 1101.7. Influence du compactage sur le comportement mécanique _______________ 112
1.7.1. Valeur limite de la contrainte de compactage______________________ 1131.7.2. Matériaux testés ____________________________________________ 1141.7.3. Compositions massiques et volumiques _________________________ 1161.7.4. La contrainte maximale σmax___________________________________ 1191.7.5. Le module d’élasticité E ______________________________________ 1221.7.6. Conclusions________________________________________________ 123
1.8. Utilisation d’un autre liant ________________________________________ 1231.9. Conclusions____________________________________________________ 124
2. Approche théorique par une méthode d’homogénéisation _________________ 1252.1. Éléments de modélisation _________________________________________ 1262.2. Résolution théorique _____________________________________________ 127
2.2.1. Modèle à inclusions simples ___________________________________ 1272.2.2. Modèle à inclusions bicomposite et tricomposite___________________ 129
2.3. Application des modèles autocohérents ______________________________ 1342.3.1. Chanvre en vrac ____________________________________________ 1342.3.2. Béton de chanvre____________________________________________ 1352.3.3. Conclusions________________________________________________ 135
1. Le transfert de chaleur ______________________________________________ 1391.1. Généralités ____________________________________________________ 139
1.1.1. Définition des modes de transfert _______________________________ 1391.1.2. Équation de la chaleur________________________________________ 1391.1.3. Hypothèses de travail ________________________________________ 140
1.2. Étude de la Conductivité thermique en milieu sec ______________________ 1411.2.1. Bornes de Voigt et Reuss _____________________________________ 1411.2.2. Modèles par homogénéisation autocohérente (HAC)________________ 1441.2.3. Mesures expérimentales ______________________________________ 1511.2.4. Analyse des résultats_________________________________________ 1581.2.5. Conclusion ________________________________________________ 160
2. Sensibilité à l’humidité du matériau ___________________________________ 1612.1. L'eau contenue dans les matériaux __________________________________ 1612.2. La condensation capillaire ________________________________________ 1622.3. Résultats expérimentaux __________________________________________ 164
2.3.1. Méthodologie et dispositif d’essais______________________________ 1642.3.2. Variations de la teneur en eau massique ω ________________________ 164
3. Influence de l’eau sur la conductivité thermique_________________________ 1673.1. Rappels _______________________________________________________ 1683.2. Mesures expérimentales de la conductivité du béton humide _____________ 169
3.3. Approche par homogénéisation autocoherente (HAC)___________________ 1713.3.1. Modèle à quatre phases_______________________________________ 1713.3.2. Modèles par double homogénéisation ___________________________ 1803.3.3. Comparaison entre valeurs théoriques et expérimentales_____________ 187
CHAPITRE 4 ____________________________________________________________ 1911. Rappels sur les ondes acoustiques _____________________________________ 193
1.1. Définitions_____________________________________________________ 1931.2. Isolation et correction acoustique ___________________________________ 1941.3. Lien entre porosité, perméabilité et comportement acoustique ____________ 1961.4. Le comportement acoustique des matériaux à simple porosité ____________ 197
1.4.1. Hypothèse de squelette rigide __________________________________ 1971.4.2. Effets visco-inertiels pour un fluide guidé dans un cylindre __________ 1981.4.3. Effets thermiques pour un fluide guidé dans un cylindre _____________ 200
2. Eléménts de métrologie______________________________________________ 2012.1. Dispositifs expérimentaux ________________________________________ 201
2.1.1. Le tube de Kundt____________________________________________ 2012.1.2. Le porosimètre _____________________________________________ 2032.1.3. Le perméamètre ____________________________________________ 205
3.1.1. Porosité ouverte du béton de chanvre ____________________________ 2073.1.2. Perméabilité du béton de chanvre _______________________________ 2083.1.3. Tortuosité α∞_______________________________________________ 209
3.2. Le coefficient d'absorption α ______________________________________ 2103.2.1. Influence de l’état de surface __________________________________ 2113.2.2. Courbes continues d’absorption ________________________________ 2133.2.3. Caractéristiques des courbes___________________________________ 2162.3.3.1. Influence de la formulation à épaisseur constante ________________ 2162.3.3.2. Analyse dans le cas d’un double poreux________________________ 2182.3.3.3. Influence de l’épaisseur à formulation fixée_____________________ 219
3.3. Comparaison avec d’autres matériaux de construction __________________ 220
Certaines notations, utilisées localement, ne figurent pas dans la liste ci-dessous. Elles sont précisées au fur et à mesure de leur apparition dans le texte. r rayon du capillaire m Vs volume du squelette solide dans le matériau m3
Vt volume total du matériau m3
Vcapillaires volume des vides contenus dans le granulat m3
Vgranulat volume propre du granulat m3
ρfrais masse volumique du matériau à l’état frais kg.m-3
ρsec masse volumique finale du matériau sec kg.m-3
ρ masse volumique du béton de chanvre sec kg.m-3
ρbc masse volumique du béton de chanvre humide kg.m-3
ρc masse volumique du chanvre en vrac kg.m-3
ρpc masse volumique de la particule végétale kg.m-3
ρl masse volumique du liant kg.m-3
ρliant_grains masse volumique de la poudre de liant (grains) kg.m-3
ρw masse volumique de l'eau kg.m-3
φ porosité totale du matériau - φouverte porosité ouverte du matériau - φg porosité totale du granulat - φl porosité totale du liant - φmeso porosité mésoscopique du matériau - φmacro porosité macroscopique du matériau - E module d'élasticité (module d'Young) MPa K module de compressibilité MPa µ module de cisaillement MPa ν coefficient de Poisson - εσmax déformation axiale au niveau du maximum de contrainte - εradiale déformation radiale - εaxiale déformation axiale - σmax maximum de contrainte supportée par le matériau MPa σc contrainte de compression MPa dri déplacements mesurés par les capteurs latéraux 1, 2 et 3 mm ∆h variation de hauteur de l’échantillon mm h0 hauteur initiale de l’échantillon mm u champ de déplacements d’un solide - σ tenseur des contraintes dans le solide - ε tenseur des petites déformations dans le solide - H tenseur des déformations - λ conductivité thermique du béton de chanvre sec W/(m.K) λc conductivité thermique du chanvre en vrac W/(m.K) λl conductivité thermique du liant W/(m.K) λpc conductivité thermique de la particule végétale W/(m.K) λh conductivité thermique du béton de chanvre humide W/(m.K) σlv tension de surface liquide/vapeur kg.s-2
- 17 -
a diffusivité thermique m2.s-1
C chaleur massique J.(K.kg)-1
Cp chaleur spécifique à pression p constante J.(K.kg)-1
Cv chaleur spécifique à volume constant J.(K.kg)-1
Pvs pression de vapeur saturante Pa Pv pression de vapeur Pa Pc pression capillaire Pa hc hauteur de remontées capillaires m HR taux d'hygrométrie de l'air % Sr taux de saturation % ω teneur en eau massique % αm angle de mouillage rad ζ coefficient de viscosité de volume p pression acoustique Pa v vitesse acoustique m.s-1
λf longueur d'onde m f fréquence de l'onde Hz ωf pulsation du mouvement du fluide rad.s-1
ωv pulsation caractéristique des effets visco-inertiels rad.s-1
ωt pulsation caractéristique des effets thermiques rad.s-1
δv épaisseur limite de couche visqueuse m δt épaisseur limite de couche thermique m τ température acoustique de l’air K σ résistance au passage de l’air N.s.m-4
Πm perméabilité macroscopique d’un matériau hétérogène m2
Π perméabilité d'un matériau homogène m2
α∞ tortuosité du milieu - α coefficient d'absorption acoustique - R coefficient de réflexion - Ei énergie de l’onde incidente J Er énergie de l’onde réfléchie J Et énergie transmise à travers le matériau J Ea énergie absorbée par le matériau J η viscosité dynamique de l’air 1,84.10-5 Pa.s λa coefficient conductivité thermique de l’air à 20°C 0,026 W/(m.K)) a0 diffusivité thermique de l’air 2.10-5 m2.s-1
Cp0 chaleur spécifique de l’air à pression p constante 1 000 J.K-1.kg-1
γ rapport des chaleurs spécifiques 1,4 ρa masse volumique de l'air à T0 = 20°C 1,2 kg.m-3
c0 célérité de l’onde dans l’air à 20°C 342 m.s-1
- 18 -
INTRODUCTION
La principale préoccupation des bâtisseurs concerne la pérennité de leurs
constructions. Cette dernière était rendue possible par l’emploi de matériaux performants en
terme de résistance mécanique et de durabilité. Les aspects de confort n'étaient traités qu'a
posteriori. Le principe de construction reposait sur la juxtaposition de différents matériaux,
chacun ayant une tâche dévolue. Cependant, cette accumulation de différents matériaux séduit
de moins en moins, car ils deviennent coûteux et finissent par occuper un volume non
négligeable. La tendance actuelle dans la construction individuelle, est donc de favoriser des
produits composites capables de remplir plusieurs usages. Le bâtisseur ne cherche plus
seulement la performance mécanique mais il tente également d’améliorer les qualités
thermiques et acoustiques des matériaux. Ce changement de point de vue explique le
développement récent de bétons allégés, capables de jouer un rôle en tant qu’isolant, tout en
conservant des niveaux de performances suffisants. Ces matériaux sont alors étudiés
simultanément sur deux thématiques: mécanique/thermique ou mécanique/acoustique.
Cependant, il ne semble pas y avoir d'étude générale qui aborderait à la fois les aspects
mécaniques, thermiques et acoustiques d'un matériau de construction. Ce mémoire de thèse
s'inscrit donc dans une démarche nouvelle, visant à caractériser un matériau multi-usages, non
plus sur deux domaines mais sur trois.
Un second élément de contexte expliquant l’intérêt pour les bétons allégés, est une
certaine prise de conscience environnementale. Cette dernière s'exprime de deux manières.
Les matériaux allégés sont de bons isolants thermiques compte tenu du volume d'air qu’ils
contiennent. Ils permettent donc de réaliser des économies d'énergie substantielles. De plus,
l'utilisation de granulats végétaux s'inscrit dans une démarche de développement durable. Elle
présente l’avantage d’utiliser une matière première renouvelable, contrairement aux granulats
des carrières dont les ressources s’appauvrissent. Ensuite, ces granulats sont dégradables de
manière naturelle, ce qui n’est pas négligeable dans le contexte actuel de limitation des
déchets. Les récentes recommandations européennes sur les déchets ultimes sont très
restrictives quant au devenir des matériaux lors de la destruction des édifices.
Le travail présenté ici n’a pas de vocation écologiste. Il vise simplement à montrer que
l’emploi de granulats végétaux peut offrir de nouvelles possibilités de développement des
matériaux de construction. Il a été réalisé pour partie dans le cadre d'un contrat de Recherche
CNRS, financé par la Chanvrière de l'Aube (producteur de chanvre), la société Strasservil
(fabricant le liant) et l'ADEME (Agence pour le Développement et la Maîtrise de l'Énergie).
Ce mémoire constitue une première étape dans la connaissance du comportement
mécanique, thermique et acoustique d’un matériau de construction à base de particules
végétales, le béton de chanvre. En revanche, les problèmes de chimie des interfaces ne seront
pas traités dans ce document. Celui-ci est structuré en quatre chapitres.
Le chapitre 1 débute par une synthèse bibliographique sur les bétons légers de façon à
avoir en mémoire les principaux résultats existants et les difficultés rencontrées avec ce type
de matériau. Cette première partie vise également à définir les notions physiques, qui seront
employées tout au long du mémoire. Le chapitre 1 se conclut par un descriptif des
constituants entrant dans la composition du béton de chanvre, leurs propriétés et la procédure
de fabrication du matériau.
Le chapitre 2 aborde les aspects mécaniques à la fois du point de vue expérimental et
du point de vue théorique. Les problèmes scientifiques soulevés par ce matériau seront
détaillés ainsi que les caractéristiques mesurées. L’étude s’est intéressée à l’influence de la
formulation, de la cinétique de prise et du compactage sur les performances de ce matériau.
Une modélisation des propriétés élastiques du matériau est réalisée par homogénéisation
autocohérente.
Le chapitre 3 traite de la conductivité thermique à la fois sur matériau sec et sur
matériau conservé dans des conditions de température et d'humidité relative variables. Un
modèle théorique développé par homogénéisation autocohérente est validé par les mesures
expérimentales. Il vise à exprimer la conductivité thermique du béton de chanvre en fonction
de sa composition et de son état hydrique.
- 20 -
INTRODUCTION
Enfin, le chapitre 4 est consacré au comportement acoustique du matériau au travers
de l'étude de l'absorption acoustique α. La sensibilité de ce paramètre en fonction de la
composition du béton et de l'épaisseur des échantillons est étudiée de manière expérimentale.
Cette partie de l'étude vise principalement à comprendre le comportement de ce matériau et à
le situer dans la gamme des matériaux absorbants usuels.
- 21 -
- 22 -
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
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g)vo
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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
- 33 -
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
- 34 -
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%
21 jours3 mois6 mois9 mois12 mois15 mois18 mois24 mois
TEMPS
- 108 -
CHAPITRE 2 : Comportement mécanique du béton de chanvre
Ce matériau pr ucture soumise à des
tassem
1.5.4. Le coefficient de Poisson ν
Le esure dans la zone de comportement élastique des
matéria
es faibles dosages en liant ν ≈ 0,05
0,16
Cet dé ée du comportement radial du matériau sous
sollicit
1.5.5. Conclusion
ristiques mécaniques a mis en lumière trois types de
compo
ésente donc un grand intérêt dans le cas d’une str
ents différentiels car il est capable de se déformer d’une manière non négligeable avant
de fissurer et de rompre. Cette propriété est originale au regard des matériaux usuels affichant
des niveaux de déformations inférieurs à 1 %, ce qui pose des problèmes en terme de
durabilité des ouvrages (fissuration…) et d’esthétique. Le dosage en liant des matériaux
classiques est étudié de façon à fournir une résistance en compression et un module capables
de répondre à des exigences structurelles. Par conséquent, ils deviennent plus rigides donc
moins déformables et plus sensibles aux tassements.
coefficient de Poisson ν se m
ux. Il représente le rapport entre la déformation radiale et la déformation axiale du
matériau Des plaques de métal sont attachées aux échantillons par des élastiques dans la partie
centrale de l’éprouvette. Des capteurs sans contact peuvent alors mesurer la distance les
séparant des plaques de métal (Fig.II. 7). Des problèmes de stabilité de mesures se sont posés
compte tenu des hétérogénéités présentes sur la surface des échantillons (particules). Celles-ci
entraînaient des écarts de mesures car les plaques n’étaient pas complètement « collées » à
l’échantillon. Pour gommer ces imprécisions, le choix a été fait de déterminer des valeurs
moyennes de coefficient de Poisson sur plusieurs essais, pour chaque type de formulation
après un an de prise :
- pour l
- pour les dosages intermédiaires 0,08 < ν <
- pour les forts dosages en liant ν ≈ 0,20
te marche permet d’avoir une id
ation de compression et un ordre de grandeur pour le coefficient de Poisson.
L’obtention d’une valeur plus précise est subordonnée à la mise en place d’un essai plus
complexe avec des capteurs de déplacements plus précis et une presse pouvant travailler à de
très faibles niveaux de sollicitation.
L’étude des caracté
rtements, chacun étant relié à une microstructure particulière induite par la
concentration volumique en liant.
- 109 -
Pour une concentration volumique en liant de l’ordre de 10 %, le matériau se comporte
comme un empilement de particules compressibles, reliées entre elles par des « ponts »
rigides de liant. En début de prise, le comportement mécanique est piloté essentiellement par
le comportement de la particule (absence de pic…). Ensuite, le liant fait prise et stabilise la
structure en limitant l’écrasement des granulats. Le matériau présente alors une résistance
mécanique faible.
Pour un dosage en liant intermédiaire, le matériau est constitué d’une particule
entourée d’une épaisseur de liant variable selon le dosage. La prise permet d’augmenter les
caractéristiques mécaniques de cette coquille en densifiant le réseau d’hydrates. Ceci explique
le côté évolutif des propriétés observé expérimentalement.
Pour les fortes concentrations volumiques en liant (40 %), les particules végétales sont
noyées dans la matrice de liant. Cette dernière est connexe et détermine les propriétés du
béton de chanvre. Elle représente la composante rigide du matériau (fort contraste entre les
deux constituants) et induit un comportement se rapprochant de celui du liant pur.
Le tableau ci-dessous fait la synthèse des résultats pour chacun des paramètres testés :
Dosage
en liant
Concentration
volumique liant ρ (kg/m3) σmax (MPa) E (MPa) εσmax ν
Faible 10 % 250 0,25 4 0,15 0,05
Intermédiaire 19 % à 29 % 350 à 500 0,35 à 0,80 32 à 95 0,05 à
0,06
0,08 à
0,16
Fort 40 % 600 à 660 1,15 140 à 160 0,04 0,20
Tab.II. 7 : Caractéristiques mécaniques finales du béton de chanvre
1.6. Résultats des essais sur l’enduit à base de Tradichanvre
Une formulation d’enduit a été testée dans le cadre de cette étude. Cet enduit est
réalisé en utilisant le Tradichanvre, qui contient du sable en plus de la chaux hydraulique et de
la chaux aérienne. Les deux graphiques suivants montrent l’évolution temporelle des quatre
paramètres mécaniques étudiés (σmax, E, εσmax, ν).
Le module d’élasticité E augmente linéairement au cours des 18 premiers mois
(20 MPa à 110 MPa) puis la courbe s’infléchit indiquant un ralentissement de la prise. La
contrainte σmax présente une progression quasi-linéiare de sa valeur sur les 30 premiers mois
de prise. Elle passe de 0,40 à 0,75 MPa. Ces valeurs sont moins élevées que celles obtenues
- 110 -
CHAPITRE 2 : Comportement mécanique du béton de chanvre
pour du béton de chanvre à base de T70, malgré la forte concentration volumique en liant.
L’explication réside dans la composition du Tradichanvre. Ce liant contient 10 % de chaux
hydraulique au lieu de 35 % comme dans le T70. Les performances à court terme du
Fig.II. 22 : Evolution temporelle de la c
Tradichanvre sont donc moins bonnes.
ontrainte maximale et du module de rigidité d’enduit
Fig.II. 23 : Evolution temporelle de εσmax et du coefficient de Poisson d’enduit
0,000
0,010
0,020
0,030
0,040
0,050
0,060
0,070
0 5 10 15 20 25 30
MOIS
ε σm
ax
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
0,35
0,40
0,45
0,50
ν
Déformation au niveau du picCoefficientde Poisson
0,00
0,10
0,20
0,30
0,40
0,50
0,60
0,70
0,80
0 5 10 15 20 25 30
MOIS
σ (M
Pa)
-10,0
10,0
30,0
50,0
70,0
90,0
110,0
130,0
E (M
Pa)
Contrainte maximaleModule d'Young
- 111 -
Le coefficient de Poisson présente une évolution similaire. La valeur finale de ν se
situe autour de 0,35. La déformation au niveau du maximum de contrainte présente un
découpage temporel identique avec une décroissance linéaire sur les 18 premiers mois, puis
une inflexion. La valeur de εσmax au bout de 30 mois est de l’ordre de 0,15. L’enduit présente
donc une déformabilité importante, qui lui permet de s’adapter aux déformations du matériau
qu’il recouvre. Cette propriété est intéressante en terme de durabilité des ouvrages de
construction car l’enduit de surface à base de béton de chanvre ne fissurera a priori pas et
protégera le matériau support.
1.7. Influence du compactage sur le comportement mécanique
Le compactage est une sollicitation imposée à un matériau à l’état frais qui entraîne un
réarrangement de la structure interne de la phase solide (empilement granulaire) et de la phase
fluide (diminution de la quantité de bulles d’air microscopique et macroscopique). Cette
modification de m nce une dim atériau.
Or, l’air joue un rôle fondamental du point de vue mécanique et ce, à trois niveaux :
vers le milieu extérieur par transferts en phases liquide et
gazeuse. Enfin, la porosité influe sur le niveau de performances mécaniques d’un matériau.
as de rôle
mécani
ependant,
la compressibilité de la particule pose certaines questions quant à la valeur maximale de
contrainte de compactage applicable sans déformer notablement les particules. L’étude se
décompose en deux p s e compactage est déterminée
icrostructure a pour conséque inution de la porosité du m
- la prise
- le séchage
- les performances mécaniques finales
En ce qui concerne la prise du liant, la présence de l’air permet la réaction de
carbonatation entre le Ca(OH)2 et le CO2. Cette prise dite aérienne est donc favorisée lorsque
le matériau présente un réseau de pores nombreux et connectés (i.e. une forte porosité ouverte
entraînant une bonne perméabilité à l’air). De même, la présence d’un réseau poreux ouvert
favorise l’évacuation de l’eau
Les bulles d’air représentent les points faibles d’un matériau, car elles n’ont p
que. La résistance en compression et le module d’élasticité varient donc de manière
inverse à celle de la porosité.
On s’intéresse donc à l’évolution des propriétés de trois formulations de béton de
chanvre en fonction de la contrainte de compactage initialement appliquée. Cette contrainte de
compactage va modifier la microstructure du matériau et en particulier la porosité. C
ha es. Dans un premier temps, la limite d
- 112 -
CHAPITRE 2 : Comportement mécanique du béton de chanvre
ainsi q
ité d’air dans le liant mais il pourrait également induire un
écrasem
iétés. Pour déterminer une valeur
raisonnable de compactage, les essais réalisés sur les éprouvettes cylindriques de chanvre en
e volumique de l’échantillon de
chanvr
Fig.II. 24 : Evolution de la masse volumique de chanvre en vrac en fonction de la contrainte de compactage appliquée pour un essai de compression cyclique
ue les compositions volumiques des bétons de chanvre testés. Dans un second temps,
les résultats expérimentaux sont exposés et commentés.
1.7.1. Valeur limite de la contrainte de compactage
Dans le cas d’un matériau composé de constituants rigides comme le béton
hydraulique, le compactage entraîne un réarrangement du squelette granulaire jusqu’à sa
compacité maximale et une réduction de la quantité de bulles d’air dans le liant. Dans le cas
du béton de chanvre, le compactage entraîne non seulement un réarrangement intergranulaire
et une réduction de la quant
ent des particules végétales fortement compressibles. Ce dernier modifie les
propriétés des particules et celles béton de chanvre, notamment en terme d’isolation
thermique et phonique, d’où la nécessité de limiter les contraintes pour protéger le granulat.
La valeur limite de compactage est déterminée en se plaçant dans la configuration la plus
défavorable, c’est-à-dire avec des particules sèches, pouvant se comprimer. Cette contrainte
de compactage est ensuite appliquée aux particules saturées en eau, au moment du malaxage
du béton de chanvre. Cette démarche permet de s’assurer que les efforts appliqués sur les
particules n’auront pas trop d’effet sur leurs propr
vrac sec sont utilisés. On représente la variation de la mass
e en vrac en fonction de la contrainte appliquée (Fig.II.24).
100
150
200
250
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7
Contrainte de compactage (MPa)
ρ (k
g/m
3)
300
350
ZONE OU LA
PARTICULE EST
NECESSAI-REMENT
ECRASEE
ρ particule = 320 kg/m3
LIMITE DE FORCE DE COMPACTAGE
COMPACTAGE CHOISI σ=0,05 MPa
- 113 -
Sachant qu’une particule de chanvre a une masse volumique propre de 320 kg/m3, on
en déduit qu’au-delà de 0,6 MPa la particule est forcément écrasée puisque la masse
volumique du chanvre en vrac devient supérieure à la masse volumique d’une particule seule.
En dessous de cette valeur de compactage, on peut simplement affirmer que de l’air est chassé
du matériau.
Les chemins de charge et de décharge lors d’un essai cyclique de compression sont
comparés (Fig.II. 24). Lorsque la sollicitation est faible (σc < 0,1 MPa), les deux chemins sont
quasiment confondus. Pour des contraintes supérieures, des boucles d’hystérésis apparaissent,
indiquant un changement dans la réponse du matériau. Ce dernier est lié à une modification de
l’empilement granulaire et à un écrasement des particules, qui rendent plus difficile le
déplacement de l’air dans les pores. La force de compactage a donc été limitée à 0,1 MPa
pour
1.7.2.
résente une composition intermédiaire entre ces deux extrêmes. Le tableau ci-
dessou
es matériaux testés pour des compactages variables
sur les échantillons cylindriques de surface 200 cm et de 32 cm
de haut. Pour chaque formulation, trois compactages différents ont été appliqués.
se situer avant ce changement.
Matériaux testés
Trois formulations (A4-1, Mur et A4-1,5) sont utilisées dans le cadre de cette étude.
Le choix s’est porté sur ces trois bétons car ils sont situés aux frontières avec le domaine des
faibles dosages d’une part (A4-1) et le domaine des forts dosages d’autre part (A4-1,5). Mur,
quant à lui, p
s indique la composition massique de ces formulations, ainsi que la valeur des rapports
Fig.III. 15 : Comparaison entre conductivité expérimentale (symboles) et modèle autocohérent (trait plein)
1.2.5. Conclusion
Cette première partie du chapitre fait le bilan des recherches menées à l’E.N.T.P.E. sur
la conductivité thermique du béton de chanvre sec. Les essais complémentaires réalisés au
cours de cette thèse ont confirmé les premiers résultats obtenus par [CORDIER, 99] sur deux
points principaux. Le premier point concerne les excellentes performances du béton de
chanvre en tant qu’isolant thermique avec des conductivités variant entre 0,06 et 0,19
W/(m.K) pour des masses volumiques allant de 200 à 840 kg/m3.
Le deuxième point concerne la bonne représentativité du modèle théorique basé sur la
HAC. Le motif générique est constitué d’une inclusion sphérique tricomposite, qui impose la
- 160 -
CHAPITRE 3 : Comportement thermique et hydrique
continuité du liant. Ce dernier permet de tenir compte du dosage des matériaux dans le béton
de chanvre (concentrations volumiques variables des constituants selon la formulation). Les
écarts entre la conductivité théorique et les résultats expérimentaux sont inférieurs à 10 %. On
peut donc considérer que ce modèle HAC possède un caractère prédictif de la conductivité du
béton de chanvre sec satisfaisant.
La suite de ce travail va maintenant aborder l’influence de l’eau sur la conductivité
thermique et le choix d’un motif générique qui donne des résultats théoriques cohérents avec
les valeurs expérimentales.
2. SENSIBILITE A L’HUMIDITE DU MATERIAU
Le béton de chanvre possède une sensibilité à l’eau qui a des conséquences quant à
son comportement thermique. En effet, sous des variations de conditions hydriques
ambiantes, le béton de chanvre absorbe de la vapeur, qui se condense sous forme d’eau
liquide. Ceci se traduit par un gain de masse dans le matériau. Or, l’eau liquide présente une
conductivité thermique trente fois supérieure à celle de l’air sec. Sa présence va donc modifier
la conductivité thermique globale du matériau.
Cette deuxième partie du chapitre vise deux objectifs majeurs. Le premier objectif est
de définir les principales notions liées à la présence d'eau dans les matériaux. Cette partie
introduit le phénomène de condensation capillaire, qui explique les transferts de masse
observables dans les matériaux poreux lorsque la température T reste constante et que
l'hygrométrie ambiante HR fluctue. Le deuxième objectif est de quantifier ces transferts
hydriques dans le béton de chanvre. Pour ce faire, des courbes de sorption/désorption sont
déterminées pour chaque constituant et pour cinq formulations de béton de chanvre. Ces
courbes expriment la teneur en eau du matériau sous diverses hygrométries extérieures. Elles
sont indispensables à la suite de l'étude car elles permettent de connaître la quantité d'eau
liquide reprise par le béton de chanvre par rapport à son état de référence (i.e. sec) en vue de
modéliser l'impact de l'eau sur la conductivité thermique.
2.1. L'eau contenue dans les matériaux
L’eau est présente dans un matériau sous trois états. Chacun de ces états correspond à
un mode de liaison de l’eau. Ainsi, on rencontre :
- L’eau liée (hydratation)
- 161 -
- L’eau attachée par des liaisons mécaniques (forces de capillarités)
- L’eau libre dans le matériau
Notre étude ne tient compte que de l’eau libre et de l’eau attachée par la pression dans les
capillaires. Selon la quantité d’eau présente dans le matériau, on distingue trois répartitions
des phases liquide et gazeuse (Fig.III. 16).
Fig.III. 16 : Répartition des phases liquide et gazeuse dans un milieu poreux saturé (a),dans le cas d’une fixation funiculaire (b) et dans le cas d’une fixation pendulaire (c) [GARNIER, 00]
Dans le cas d’un milieu saturé ou quasi-saturé, la phase liquide occupe la quasi totalité
du réseau poreux. Les quelques bulles d’air persistantes sont collées le long des parois de la
phase solide. La phase liquide est connexe, contrairement à la phase gazeuse. Dans le cas où
la phase liquide et la phase gazeuse seraient présentes toutes les deux d’une manière non
négligeable, on parle de fixation funiculaire. Ceci signifie que des anneaux de liquide
entourent les grains. Les deux phases (liquide et gazeuse) sont connexes. Dans le cas où la
phase gazeuse occuperait un espace très nettement supérieur à la phase liquide, on parle de
fixation pendulaire. La phase liquide sert de contact entre les grains et de nombreux
ménisques sont observables. On considère que la phase gazeuse est non connexe.
2.2. La condensation capillaire
La condensation capillaire est un phénomène physique permettant d’expliquer
comment un matériau poreux initialement en équilibre hydrique avec le milieu extérieur se
remplit peu à peu d’eau liquide lorsque l’on augmente HR de manière isotherme. Prenons
deux plaques parallèles constituées d’un matériau solide quelconque, entre lesquelles se
trouve de l’air et de la vapeur d’eau. Si l’espace entre les deux plaques est suffisamment petit,
- 162 -
CHAPITRE 3 : Comportement thermique et hydrique
un changement de phase s’opère et de l’eau se condense le long des parois formant des
ménisques [RESTAGNO, 00]. Le rayon limite en-dessous duquel l’eau se condense dans les
capillaires se calcule à partir de la loi de Kelvin :
e
cos2 -
vs
v
PP wRTr
mlvρ
ασ
= (III.39)
avec σlv : tension de surface liquide/vapeur de l’eau ( = 0,075 kg.s-2)
αm : angle de mouillage (< π/2)
R : constante des gaz parfaits ( = 8,314 J.mol-1.K-1)
ρw : masse volumique de l’eau liquide
r : rayon du capillaire
On obtient donc la relation suivante :
cos 2-
ρ
ασ
wTRH R
mlvr = (III.40)
0,0001
0,001
0,01
0,1
1
100% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%
HR (%)
Ray
on d
u po
re ( µ
m)
angle 0°angle 45°angle 60°angle 75°angle 89°
Fig.III. 17 : Rayon du capillaire en dessous duquel se produit la condensation capillaire pour T = 20°C
La figure III.17 indique la variation du rayon limite de condensation des capillaires
pour différentes hygrométries extérieures et divers angles de mouillage. On constate que pour
- 163 -
HR = 50 %, la condensation capillaire apparaît pour des rayons inférieurs à 0,1 µm. La
question est maintenant de connaître la répartition de ces micropores entre les particules et le
liant, pour savoir lequel de ces constituants est le plus sensible au phénomène de
condensation. Notre démarche a alors été de déterminer les courbes de sorption/désorption de
chaque constituant, de les comparer et d’en déduire quelques informations sur la répartition
de la taille des pores dans chaque constituant.
2.3. Résultats expérimentaux
2.3.1. Méthodologie et dispositif d’essais
Les plaques de béton de chanvre sont placées dans une enceinte climatique maintenue
à température constante T = 20°C. L’hygrométrie HR dans l’enceinte est contrôlée. Cinq
ambiances sont successivement imposées : HR = 25 %, 40 %, 50 %, 75 % et 95 %. Dans un
premier temps, les échantillons sont séchés dans un four durant une semaine à T = 60°C, afin
d’éliminer l’eau libre présente dans le matériau. On considère que l’échantillon est sec
lorsque trois pesées journalières consécutives donnent des masses équivalentes (variation de
masse inférieure à 1 %). On introduit alors les échantillons dans l’enceinte. Des pesées
journalières permettent de suivre la variation de masse de l’échantillon, donc la quantité d’eau
adsorbée par le matériau sec sous HR fixée. Lorsque les masses des échantillons sont
stabilisées, l’hygrométrie est modifiée pour atteindre le palier suivant. On définit ainsi les
courbes de sorption. Une fois HR = 95 % atteinte, on effectue le chemin inverse pour revenir à
HR = 0 %. On obtient alors la courbe de désorption.
2.3.2. Variations de la teneur en eau massique ω
2.3.2.1 La chènevotte
Des essais ont été menés par [GARNIER, 00] sur des particules de chènevotte seules.
Les courbes de sorption- désorption montrent une teneur en eau massique ω de l’ordre de 0,35
sous HR = 95 %.
2.3.2.2 Le liant
Le liant T70 présente un fort caractère hydrophile avec des teneurs en eau massiques
allant de 0 en ambiance sèche jusqu’à 0,55 en ambiance quasi-saturée (HR = 95 %). Selon la
valeur de HR, le phénomène de sorption devient prépondérant dans le liant ou dans les
- 164 -
CHAPITRE 3 : Comportement thermique et hydrique
particules. Pour des niveaux d’humidité relative de l’ordre de 50 %, la condensation capillaire
est plus forte dans les particules. En revanche, pour les très fortes humidités, la condensation
devient plus importantes dans le liant (Fig.III.18).
0,00
0,10
0,20
0,30
0,40
0,50
0,60
0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%
HR (%)
ω (
kg/k
g)
particules végétalesLiant T70
Fig.III. 18 : Courbes de sorption et désorption du liant T70 pur et des particules végétales
On peut donc déduire quelques informations quant à la taille des pores des
constituants et leur répartition. Tout d’abord, il semble que les particules possèdent plus de
capillaires de taille inférieure à 0,1 µm que le liant, puisque la quantité d’eau qui y apparaît
est supérieure sous HR = 50 %. Ensuite, la condensation capillaire est beaucoup plus forte
dans le liant que dans les particules lorsque HR = 95 %. Ceci signifie donc que la quantité de
pores de diamètre compris entre 0,1 µm et 10 µm est plus important dans le liant que dans les
particules. Ces résultats sont cohérents avec les tailles caractéristiques de pores définies au
chapitre 1. En effet, les particules ont des pores compris entre 10 et 40 µm de diamètre tandis
que ceux du liant sont compris entre quelques centièmes de microns et quelques millimètres.
2.3.2.3 Le béton de chanvre
La cinétique du phénomène de sorption/désorption dans le béton de chanvre est lente
et l’équilibre thermodynamique est difficile à atteindre surtout pour les fortes valeurs de HR.
Les échantillons ont mis plus de 200 jours pour passer de l'équilibre sous HR = 95 % à
l'équilibre sous HR = 50 % (Fig.III. 19). On note que pour chaque phase, une variation de
- 165 -
masse importante se produit dans les 24 heures suivant le changement d’hygrométrie (environ
40% du gain massique total), puis le phénomène ralentit jusqu’à atteindre l’équilibre.
300
320
340
360
380
400
420
440
460
480
500
0 50 100 150 200 250 300
JOURS
Mas
se (g
)
50% 95%75%75%
50%
Fig.III. 19 : Reprise en eau du béton de chanvre (formulation Mur) en enceinte climatique à T = 20°C
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
0,35
0,40
0,45
0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%
HR (%)
ω (
kg/k
g)
MurDalleToitA3-2A3-1,5
Fig.III. 20 : Courbes de sorption/désorption de quelques formulations de béton de chanvre
Les teneurs en eau mesurées au cours de cette expérience sont relativement élevées.
Elles mettent en lumière le fait que la présence d’eau dans le matériau poreux est loin d’être
- 166 -
CHAPITRE 3 : Comportement thermique et hydrique
négligeable même sous des hygrométries fréquemment rencontrées comme HR = 50%. On
observe également que les écarts de ω entre les différentes formulations sont inférieurs à 3%
jusqu’à HR = 50%. Au-delà, les différences deviennent notables. La phase d’expérimentation
s’est étendue sur une année mais une panne mécanique de l'enceinte mécanique a interrompu
la manipulation et n’a pas permis de revenir à l’état initial. Ceci explique que les courbes de
désorption sont incomplètes (Fig.III. 20).
A partir des courbes de sorption du béton de chanvre et de celles des constituants
seuls, on a pu vérifier une hypothèse de conservation du volume d’eau total. En effet, le
volume d’eau contenu dans le béton de chanvre correspond approximativement à la somme de
l’eau contenue dans le chanvre seul et dans le liant seul :
Fig.IV. 22 : Coefficient d’absorption par octave pour 20 cm d’épaisseur
- 222 -
CHAPITRE 4 : Comportement acoustique
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
100 600 1100 1600Fréquence (Hertz)
α TOIT (10%)A3-0,75 (22%)MUR (28%)
Fig.IV. 23 : Coefficient d’absorption par octave pour 30 cm d’épaisseur
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
100 600 1100 1600Fréquence (Hertz)
α
Panneaux Béton Bois Système - Mur double face STRUCTA - e=13cmTOIT (25%)A3-0,75 (30%)MUR (33%)DALLE (34%)ENDUITA3-2(47%)Béton Cellulaire Siporex (e=5cm)
Fig.IV. 24 : Comparaison des coefficients d’absorption par octave de différents matériaux du génie civil
- 223 -
4. CONCLUSION
Les propriétés acoustiques du béton de chanvre ont été abordées du point de vue
expérimental au cours de cette thèse. Le but était de déterminer si ce matériau présentait un
intérêt quelconque en tant qu'isolant acoustique et le cas échéant dans quelle mesure. Compte
tenu de la grande porosité du béton de chanvre, l'étude du comportement en absorption a été
privilégiée. Ainsi, les valeurs des porosités, des perméabilités et du niveau d'absorption ont
été déterminées pour différentes formulations de matériau. On a ainsi pu tirer quelques leçons
concernant ce matériau. Tout d'abord, l'essentiel pour ne pas dire la totalité de la porosité du
matériau est ouverte. En conséquence, la perméabilité du béton de chanvre est de l'ordre de
10-9 m2 et le coefficient d'absorption varie entre 0,3 et 0,9 selon le dosage et la fréquence.
De plus, des pics d'absorption en basse fréquence (f ≈ 400 Hz) et en moyenne
fréquence (f ≈ 1200 Hz) sont observables tant que l'épaisseur de matériau est inférieure à
20 cm. Ces valeurs sont élevées par rapport à d'autres matériaux du génie civil testés dans des
conditions équivalentes. Il faut cependant rester prudent avec ces niveaux de α car ils sont
mesurés avec le tube de Kundt, pour un échantillon placé sur un support rigide et
imperméable. Les ondes transmises à travers le matériau sont minimisées, contrairement à ce
qui se passerait dans le cas d'un mur séparant deux pièces.
Ensuite, une difficulté expérimentale est apparue compte tenu de la sensibilité du
coefficient d'absorption à l'état de surface des échantillons. Selon le mode de surfaçage, la
perméabilité de surface varie, ce qui modifie le coefficient d'absorption. Nous avons choisi de
travailler sur des échantillons dont la surface a été talochée avec soin afin de se rapprocher de
la réalité.
Enfin, le béton de chanvre présente un comportement acoustique plus proche d'un
double poreux que d'un simple poreux. Ce résultat ne pourra être confirmé qu'en réalisant une
caractérisation complète des grandeurs acoustiques. Ce travail expérimental devrait faire
l'objet d'un futur travail de thèse.
- 224 -
CHAPITRE 4 : Comportement acoustique
- 225 -
CONCLUSION
Cette étude est basée sur une approche globale des propriétés physiques du béton de
chanvre. Elle visait deux objectifs majeurs. Dans un premier temps, un travail expérimental a
été mis en place de façon à comprendre et à évaluer les performances de ce matériau en
fonction de divers paramètres tels que la formulation, la contrainte de compactage ou les
conditions de conservation. Dans un second temps, une étude théorique est menée et une
modélisation par homogénéisation autocohérente est proposée en mécanique et en thermique.
Le béton de chanvre est un matériau hétérogène au comportement est élasto-plastique
avec une rupture non fragile L’étude des caractéristiques mécaniques a mis en lumière trois
comportements liés à trois types de structure dépendant de la proportion de liant présente dans
le mélange. Dans le cas des faibles dosages en liant, le milieu est principalement constitué de
granulats végétaux reliés entre eux par des ponts de liant. Le comportement se rapproche de
celui du chanvre en vrac seul avec de fortes déformations des échantillons sous contrainte et
une faible résistance mécanique. La rupture se produit par détérioration des liaisons de T70
puis écrasement des granulats végétaux. Dans le cas des forts dosages en liant, le béton de
chanvre a un comportement proche de celui du liant pur. Sa rigidité est de l’ordre de 200 MPa
au lieu de 500 MPa pour le liant pur et sa résistance en compression vaut autour de 1 MPa au
lieu de 5 MPa. Entre ces deux comportements, on obtient des propriétés mécaniques
intermédiaires qui se rapprochent plus de l’une ou l’autre des extrêmes selon le dosage en
liant.
La modélisation théorique est une application des travaux de Hashin et de Christensen
et Lo. L’hétérogénéité générique est une inclusion sphérique tricomposite, constituée d’une
bulle d’air, entourée de particules végétales, elles-mêmes enrobées de liant. Les résultats
numériques obtenus étaient d’un ordre de grandeur correct pour des concentrations
volumiques en liant supérieures à 19 %. Ceci confirme les résultats expérimentaux qui
indiquaient une modification profonde de la microstructure en dessous de cette valeur de
concentration en liant.
Du point de vue du comportement thermique, ce travail s’est attaché à considérer le
caractère hygroscopique du matériau et les conséquences sur ses propriétés isolantes.
Une première étape a été l’obtention des courbes de sorption/désorption des différents
constituants ainsi que de plusieurs formulations de béton de chanvre couramment utilisées. On
a ainsi pu observer les gains massiques élevés de ce type de matériaux avec des valeurs allant
de 3 à 15% sous HR = 50% et de 30 à 40% sous HR = 95%.
Une deuxième étape a été de mesurer la conductivité thermique de quelques
échantillons sous deux hygrométries différentes.
La modélisation par homogénéisation autocoherente s’est concentrée sur deux types de
structure. D’une part, des inclusions sphériques à quatre phases ont permis d’obtenir des
résultats cohérents avec les mesures expérimentales dans le cas d’hygrométries modérées
(HR = 50%). La couche d’eau se situe entre la bulle d’air centrale et le granulat végétal.
Toutefois, ces modèles ne sont plus pertinents dans le cas de fortes teneurs en eau. En effet, le
volume d’eau généré par la condensation capillaire devient supérieur au volume d’air
disponible en contact avec la chènevotte. D’autre part, un modèle basé sur une double
homogénéisation a permis une autre approche. Le modèle mixte répartissant l’eau dans le liant
et dans le granulat végétal donne les résultats les plus proches de la réalité. Il permet de
considérer que les pores de petite taille sont saturés dans un premier temps, ce qui est cohérent
avec les effets de capillarité.
La suite de ce travail devrait permettre de compléter les données expérimentales et de
traiter le cas des hygrométries supérieures à 80%.
Enfin, en ce qui concerne les propriétés acoustiques, cette étude a permis de découvrir
quelques pistes concernant le comportement du béton de chanvre. En effet, ce matériau
semble fonctionner comme un double poreux avec une taille caractéristique des capillaires du
chanvre (de l’ordre du micromètre) et une taille caractéristiques des pores du liant (de l’ordre
du millimètre). Les capillaires joueraient le rôle de micropores dans lequel les effets visqueux
- 226 -
CONCLUSION
sont prépondérants et le régime d’écoulement isotherme. Les pores du liant joueraient le rôle
de macropores dans lesquels le régime d’écoulement est adiabatique.
Les niveaux d’absorption obtenus sont élevés et présentent des pics en basses
fréquences qui pourraient s’expliquer par des phénomènes couplés.
En conclusion, cette étude a permis d’obtenir des précisions quant aux performances
du béton de chanvre. Des gammes de variations des propriétés en fonction du dosage et du
compactage ont pu être déterminées (cf. tableau 1). L’approche globale de ces propriétés a
permis de voir le côté polyvalent de ce matériau qui peut servir à la fois d’isolant thermique et
acoustique tout en conservant des propriétés mécaniques correctes. Toutefois, ces
performances mécaniques ne sont pas suffisantes pour permettre un usage sans structure
porteuse. Les travaux devraient se poursuivre en développant un modèle acoustique
satisfaisant et en affinant les résultats thermiques et mécaniques.
- 227 -
ρ sec
(kg/
m3 )
Rc
(MPa
)E
(MPa
)ε σ
max
ν
chan
vre
en v
rac
130
-0,
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0,1
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-40,
2Tr
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100x
10-4
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les
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250
0,25
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150,
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350
– 50
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35 –
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- 95
0,05
– 0
,06
0,08
– 0
,16
forts
dos
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600
- 800
1,15
140
– 17
00,
040,
2En
duit
780
0,75
125
0,18
0,35
λ sec
(W/(m
.K))
λ 50%
(W/(m
.K))
λ 75%
(W/(m
.K))
poro
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α
chan
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en v
rac
0,04
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24-
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0,25
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0,28
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13 -
0,20
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0,07
0,09
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0,80
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et d
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s con
stitu
ants
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- 235 -
ANNEXES
ANNEXE 1 Modélisation par homogénéisation autocohérente
dans le cas de deux inclusions simples
Le milieu contient des inclusions de type 1 et de type 2, de concentration volumique θ1
et θ2 avec θ1 + θ2 = 1
MILIEU 2
MILIEU 1
Fig.A.1: Modèle à deux inclusions simples
γ
Fig.A.2: Inclusion simple soumise à un glissement à l’infini
γ
La résolution du problème en élasticité linéaire isotrope s’effectue en deux étapes.
Dans un premier temps, les équations de continuité des contraintes et des déplacements
permettent de déterminer le champ de déplacements s’appliquant dans une inclusion
sphérique et dans le milieu homogène sous l’effet d’un champ uniforme à l’infini. Dans un
second temps, l’égalité des contraintes et des déformations dans le milieu hétérogène et dans
le milieu homogénéisé mène à une équation du second degré en µ (module de cisaillement du
milieu homogène).
Ce problème est résolu dans le cas d’une inclusion sphérique soumis à un cisaillement
pur γ à l’infini.
Le champ de déplacement a la forme suivante :
ur = Ur(r).sin² θ.cos2Φ
uθ = Uθ(r).sinθ.cosθ.cos2Φ
- 236 -
uΦ = UΦ(r).sinθ.sin2Φ
avec Uθ = -UΦ et θ, Φ : angles classiques en coordonnées sphériques
avec dans le milieu homogène : Ur = B1.r - 6.ν.B2.r3 + 3.B3 + (5-4ν).B4
(1-2ν) r4 (1-2ν).r²
Uθ = B1.r – (7-4ν).B2.r3 - 2.B3 + 2.B4
(1-2ν) r4 r² et dans l’inclusion sphérique i : Ur = A1.r - 6.νi.A2.r3 + 3.A3 + (5-4νi).A4
(1-2νi) r4 (1-2νi).r²
Uθ = A1.r – (7-4νi).A2.r3 - 2.A3 + 2.A4
(1-2νi) r4 r² La détermination des constantes A1, A2, A3, A4, B1, B2, B3 et B4 se fait par continuité des
contraintes et des déplacements.
Quand le rayon r tend vers 0, le champ de déplacements doit être défini dans l’inclusion donc
A3 = A4 = 0
Le champ de déplacement imposé à l’infini peut s’écrire :
ux∞ = -γ.x/2
uy∞ = γ.y/2
uz∞ = 0
soit en coordonnées sphériques :
ur∞ = γ.r/2.sin²θ.cos2Φ
uθ∞ = γ.r/2.sinθ.cosθ.cos2Φ
uΦ∞ = - γ.r/2.sinθ.sin2Φ
On doit donc retrouver dans la matrice à l’infini Ur(∞) = γ/2 = Uθ(∞) d’ou les valeurs
suivantes :
B2 = 0 et B1 = γ/2
Enfin, la continuité des contraintes et des déplacements à l’interface entre l’inclusion et la
matrice homogène mène à un système de quatre équations à quatre inconnues :
La dernière équation est fournie par des considérations énergétiques (équation
d’Eshelby - 1956). On considère que l’énergie contenue dans le milieu avec inclusion est la
même que celle contenue dans le milieu équivalent homogène (donc sans inclusion).
U = U0 – 1 ⌠ (Ti.uie – Tie.ui)dS 2 ⌡ Ti : contrainte dans le milieu avec inclusion ui : déplacement dans le milieu avec inclusion Tie : contrainte dans le milieu équivalent uie : déplacement dans le milieu équivalent
Par substitution, on trouve le résultat simple D4 = 0. On réutilise alors les relations de
continuité pour exprimer D4 en fonction des autres paramètres. Il en résulte une équation du
second degré en (µ / µl).
A(µ / µl)² + B(µ / µl) + D = 0
avec A,B et D fonctions de µe, νe, µ1, ν1, ν2, µ2 et de la fraction volumique θ1 = (R1/R2)3.
La résolution de cette équation du second degré permet d’exprimer µ donc E du milieu
équivalent en fonction des paramètres des constituants.
- 242 -
- - - 243 -
FOLIO ADMINISTRATIF
THESE SOUTENUE DEVANT L'INSTITUT NATIONAL DES SCIENCES APPLIQUEES DE LYON
NOM : CEREZO DATE de SOUTENANCE : 16 juin 2005 (avec précision du nom de jeune fille, le cas échéant) Prénoms : Véronique TITRE : Propriétés mécaniques, thermiques et acoustiques d’un matériau à base de particules végétales : approche expérimentale et modélisation théorique NATURE : Doctorat Numéro d'ordre : 05 ISAL Ecole doctorale : MEGA Spécialité : Génie Civil Cote B.I.U. - Lyon : T 50/210/19 / et bis CLASSE : RESUME : Ce mémoire de thèse est consacré à l'étude des propriétés mécaniques, thermiques et acoustiques du béton de chanvre. Ce matériau est obtenu en mélangeant un liant à base de chaux, des particules végétales et de l’eau. Ces dernières possèdent une porosité intrinsèque importante, du fait de la présence de capillaires. Ceux-ci rendent les particules légères, compressibles et sensibles à l'eau. Le liant contient un mélange de chaux hydraulique et aérienne. Le mélange de ces deux constituants de nature et de caractéristiques très différentes conduit à un matériau dont les propriétés seront variables en fonction des concentrations volumiques de chaque constituant. De plus, ce matériau se distingue par un double réseau de pores, l'un de taille microscopique (10 à 40 µm) et l'autre de taille mésoscopique (< 1 mm). On montre expérimentalement que ces deux réseaux sont connectés. Du point de vue mécanique, le béton de chanvre se caractérise par un comportement élasto-plastique. La résistance en compression varie entre 0,25 et 1,15 MPa. Le module d'élasticité est compris entre 4 et 170 MPa. Ces valeurs sont modestes par rapport à celles des autres matériaux de construction. En revanche; ce matériau peut supporter des niveaux de déformations élevés (0,04 < εσmax < 0,15). En s'appuyant sur les observations expérimentales, une modélisation par homogénéisation autocohérente est réalisée. Celle-ci permet d'obtenir un modèle prédictif de la valeur du module d'élasticité pour des formulations et des niveaux de compactage variables. Ensuite, une étude des transferts de chaleur et de masse au sein du matériau sous diverses hygrométries est menée. On a quantifié expérimentalement la sensibilité du matériau à l’hygrométrie ambiante HR. Des campagnes de mesures ont déterminé la conductivité thermique sèche et humide du béton de chanvre pour des formulations et des compacatges différents. Un modèle autocohérent est également mis en œuvre en utilisant deux types de motif générique. Il permet de retrouver les résultats expérimentaux avec une bonne fiabilité.Enfin, une caractérisation de l'absorption acoustique du béton de chanvre est initiée. Elle montre des niveaux d'absorption élevés sur toute la gamme de dosages étudiés (α > 0,5). Ce travail exploratoire met également en lumière un comportement proche de celui d'un milieu à double porosité. MOTS-CLES : Matériau, hétérogène, particules végétales, propriétés mécaniques, absorption acoustique, conductivité thermique Laboratoire (s) de recherche : Laboratoire GéoMatériaux (Ecole Nationale des Travaux Publics de l’Etat) Directeurs de thèse: Laurent ARNAUD Claude BOUTIN Président de jury : Jean-Jacques ROUX Composition du jury : Laurent ARNAUD Claude BOUTIN Marguerite RINAUDO Jean-jacques ROUX Koenraad VAN BALEN