caractérisation et optimisation d'un composite biosourcé pour l'habitat - TEL - Thèses en ligne Access content directly
Theses Year : 2018

Characterization and formulation's optimization of a bio-based material for housing insulation purpose

caractérisation et optimisation d'un composite biosourcé pour l'habitat

Yoann Brouard
  • Function : Author
  • PersonId : 1034276

Abstract

The building sector (both for the construction and operation) is a major source of CO2 emissions worldwide, due to the energy consumption (heat, air ventilation and cooling) and materials production involved. Furthermore, the depletion of natural resources is becoming a critical issue; the use of renewable and recyclable resources, with low embodied energy is therefore relevant. In that respect, the use of agricultural by-products as lightweight aggregates for thermal insulation purposes is particularly judicious. They have low embodied energy and can be considered as waste with a positive carbon balance as they store CO2. Replacing Portland cement by local crude earth improves the material’s carbon footprint. The work presented here that claims the use of those ecologically friendly materials is carried out in the frame work of BIOCOMP project which aims to develop locally produced biocomposites to be used as houses interior insulating materials. This, to offer refurbishment solutions for vernacular buildings in Touraine, Center of France. In this study, samples have been prepared using 4 different vegetal aggregates (rape straw, sunflower bark, sunflower pith and a mix of sunflower pith and bark) and a characterized crude earth as binder for a same binder/aggregates ratio. The purpose of this study was to compare hygrothermal acoustical and mechanical properties of different materials based on vegetal aggregates and clay in order to characterize the performances of different biocomposites with a view to valorizing agricultural waste. We first analyzed the raw materials in order to get the density, thermal and hydric properties of the vegetal aggregates in one hand and the mineralogy and gravimetric data of the selected crude earth in the other hand. Thermal behavior of earth:vegetal aggregates mixes have been investigated at different humidity rates and different density ranges. Additionally, hydric properties have been measured to produce sorption and desorption curves and moisture buffer values (MBV) in one hand and capillarity of both aggregates and biocomposites on the other hand. Studying those hydric properties is relevant as a suitable insulating material for the refurbishment of the locally porous limestone made houses should offer good water vapor regulation. For the first time, we investigate here the thermal properties of mixes of crude earth with rape-straw and sunflower stem (bark and pith). According to the french NF P 75-101 standard, in order to be considered as building thermal insulator, a material should have a thermal conductivity below 0.065W.m-1.K-1. Lime-vegetal or clay-vegetal plasters can hardly reach those performances, but one of their major advantages is their indoor climate regulation capacity as well as their compatibility with vernacular buildings made with crude earth or limestone. The weaknesses of these materials are their poor mechanical performances avoiding any structural use and also their sensitivity to liquid water. In order to enhance both characteristics, ethyl silicate tends to offer interesting guarantees as an additive that need to be further studied. On the contrary, an addition of a low amount (5%) of lime is counterproductive, decreasing both mechanical and capillarity resistance. Masons use to recover those kind of insulating materials with a finishing plaster, we then found interesting to measure the impact of this coating on the MBV and acoustical (absorption and transmission loss) performances of the biocomposites. It appears that the influence of those coating decrease hydric dynamical regulation and the sound absorption but enhance the transmission loss. Lastly, we investigate the behavior of the thermal flow through a limestone wall covered with a clay:rape-straw plaster in a climatic chamber. We compared the found results with a WUFI 2D software simulation and tried to also simulate the changes in the drying kinetic of a fresh composite covered with different kinds of finishing plasters pointing the important drying delays depending on the coating used. One of the main interests of this study is to confirm that a wide range of locally produced vegetal byproducts could be used as bioaggregates for concretes. Local biomaterials industries could therefore emerge depending on the locally available resources at country scale. Despite its lower mechanical performances and vulnerability to liquid water compared to lime or pozzolanic binders, the use of crude earth as binder for vegetal concretes deserves further studies. Besides its ecological and hygrothermal performances, clay production is practically ubiquitous, enabling the emergence of very local clay-vegetal aggregate concrete industries to develop a green, carbon-light and circular economy.
Le secteur du bâtiment est une source majeure d'émissions de CO2 dans le monde (à la fois pour la construction et l'exploitation des bâtiments), en raison notamment de la consommation d'énergie (chaleur, ventilation et refroidissement) et de la production de matériaux. Parallèlement à cela, l'épuisement des ressources naturelles tend à devenir un problème critique. Parmi les réponses pouvant être apportées pour faire face à ces défis, l'utilisation de ressources renouvelables et recyclables, à faible énergie grise apparait pertinente. À cet égard, l'utilisation de co-produits agricoles en tant que granulats légers à des fins d'isolation thermique est une solution méritant d’être étudiée. Ces matières premières génèrent une faible énergie grise et peuvent être considérés comme des déchets avec un bilan carbone positif car ils stockent du CO2. La substitution de la chaux ou du ciment par de la terre crue locale améliore également sensiblement l'empreinte carbone d’un matériau de construction. Le travail présenté ici qui a pour objet de mesurer les performances de ces matériaux respectueux de l'environnement a été réalisé dans le cadre du projet BIOCOMP ayant pour but de développer des biocomposites produits localement ayant pour vocation d’être utilisés en tant que matériaux isolants intérieurs. L’intérêt pour les partenaires du projet est d’offrir des solutions de rénovation pour les bâtiments vernaculaires de Touraine. Dans cette étude, des échantillons ont été préparés en utilisant 4 granulats végétaux différents (paille de colza, écorce de tournesol, moelle de tournesol et mélange de moelle et d'écorce de tournesol) avec une terre crue servant de liant pour un même rapport liant / granulats. Cette étude a pour objet de comparer les propriétés acoustiques, mécaniques et hygrothermiques de différents biocomposites à base de granulats issus de co-produits végétaux et d'argile. Nous avons d'abord analysé les matières premières afin d'obtenir d’une part la masse volumique et les propriétés thermiques et hydriques des granulats végétaux et les caractéristiques minéralogiques et gravimétriques de la terre crue sélectionnée d'autre part. L’évolution de la conductivité thermique des mélanges terre:granulats végétaux a été étudiée à différents taux d'humidité et différentes masses volumiques. D’un point de vue hydrique, les capacités de sorption/désorption de ces matériaux ont été mesurées en régime statique de même que la capacité de tampon hydrique simulant un régime dynamique. La capillarité des granulats et des biocomposites a également été étudiée. L'étude de ces propriétés hydriques permet d’estimer l’adéquation de solutions de rénovation basées sur ces matériaux avec le bâti local constitué de pierres calcaires très poreuses possédant une forte capacité de réguler l’humidité. Les conductivités thermiques de mélanges de terre-crue: colza et terre-crue:tournesol (écorce et moelle) doivent être inférieure à 0,065W.m-1.K-1 pour que ces matériaux soient considérés comme isolant thermique de bâtiment selon la norme NF P 75-101. Les enduits chaux:végétaux ou terre-crue-végétaux peuvent difficilement atteindre ces performances, mais l'un de leurs principaux avantages tient à leur capacité de régulation du climat intérieur ainsi que leur compatibilité avec les caractéristiques des bâtiments vernaculaires. Le point faible de ces matériaux réside dans leurs faibles performances mécaniques empêchant toute utilisation structurelle ainsi que leur sensibilité à l'eau liquide. Afin d'améliorer ces deux aspects, l’ajout de silicate d'éthyle semble offrir des garanties intéressantes nécessitant la mise en place d’essais complémentaires. Au contraire, l'ajout d'une faible quantité (5%) de chaux est contre-productif, diminuant à la fois la résistance mécanique et la résistance à la capillarité. Lors de la mise en œuvre de ce type de matériaux isolants, les maçons ajoutent généralement un enduit de finition, il nous est par conséquent apparu pertinent de mesurer l'impact de ce revêtement sur les capacités de tampon hydrique et les performances acoustiques (absorption et affaiblissement) des biocomposites. Cette couche de finition diminue la régulation dynamique hydrique et l'absorption acoustique, mais augmente la perte de transmission. Pour finir, nous avons étudié le comportement du flux thermique à travers une paroi en pierre de tuffeau locale recouverte d'une couche isolante d’argile: colza placée à l’intérieur d’une chambre climatique. Nous avons comparé les résultats avec ceux obtenus via une simulation via le logiciel WUFI 2D. Ce logiciel nous a également permis de simuler l’effet de différentes compositions d’enduits de finition sur les capacités de séchage du biocomposite à l’état frais ainsi que les changements dans la cinétique de séchage d'un composite induisant des augmentations de la durée de séchage différentes selon le type d’enduit. L'un des principaux intérêts de cette étude est de confirmer qu'une large gamme de co-produits végétaux produits à l’échelle locale pourrait être utilisée en tant que granulats pour l’élaboration de bétons végétaux. Malgré ses performances mécaniques plus faibles et sa vulnérabilité à l'eau liquide par rapport aux liants à la chaux ou à la pouzzolane, l'utilisation de la terre-crue comme liant pour les bétons végétaux mérite d’être étudiée plus avant aux vues de sa forte disponibilité, de son bilan environnemental positif et de ses propriétés hygrothermiques. Des filières locales de matériaux biosourcés pourraient donc être mise en place sur de nombreux territoires en fonction des ressources disponibles localement permettant le développement d’une économie circulaire vertueuse pour l’environnement.
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Dates and versions

tel-01835828 , version 1 (11-07-2018)

Identifiers

  • HAL Id : tel-01835828 , version 1

Cite

Yoann Brouard. caractérisation et optimisation d'un composite biosourcé pour l'habitat. Construction durable. école doctorale université de Tours, 2018. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01835828⟩
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