Potentiel des fibres végétales courtes dans l’amélioration du comportement mécanique des mortiers - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2022

Short vegetal fibers potential in improving the mechanical behavior of mortars.

Potentiel des fibres végétales courtes dans l’amélioration du comportement mécanique des mortiers

Résumé

The economic stakes related to the rising cost of fossil resources, their scarcity and the environmental impact inherent in their use lead the construction industry to move towards materials with low environmental impact. Resources from biomass are the main example, especially agricultural, including fibers from plant stems. Among these fibers, flax and hemp stand out because of their mechanical properties comparable to those of synthetic fibers and their availability in France.The thesis work aims to develop an innovative composite material by combining flax or hemp fibers and a cement or pozzolanic matrix. This material could be used in the form of thin layers in interior and exterior coatings. Its performance was analyzed in comparison with that obtained by adding polypropylene fibers. The latter are present on the market to reduce the sensitivity to cracking at a young age, to improve impact resistance and fire behavior.After defining the identity card of each type of fiber used, the thesis presents the elaboration of mortars and the influence of the incorporation of polypropylene and plant fibers on the rheology (flow time and spreading). Incorporated in a mineral binder based mortar, the vegetable fibers disturb the behavior of the mixture in the fresh state (absorption of part of the mixing water and resistance to movement between particles). The addition of water and superplasticizer maintains the characteristics of the reference mortar. On the other hand, the migration of extractives from the surface of the fibers into the matrix disturbs the hydration of the binder and slightly delays the setting of the material. The polypropylene fibers show a neutral effect on the workability of the material as well as on the hydration process.The remainder of the work addresses the susceptibility to cracking due to plastic shrinkage of composites at young ages. A heated and ventilated tunnel is used to produce severe environmental conditions and cracking is tested via two tests. The first test consists of pouring the mortar into a mold with elevations. The second uses a brick as a support for a thin layer in order to work under conditions close to reality. The results of these two tests are coherent and show that the presence of plant fibers considerably reduces the sensitivity of mortars to cracking. These tests are completed by the measurement of the free plastic shrinkage and the loss in mass with time.The characterization of composites in the cured state is then developed. The main point addressed is the evaluation of the impact resistance. A specific test has been developed using ultrasonic waves to detect cracking and rupture of the elements. The results show that the addition of fibers (polypropylene or vegetal) allows to improve the material's toughness by increasing the energy necessary to reach the rupture after cracking. To complete the mechanical identity card, the flexural and compressive strengths at several times are presented. Finally, water porosity tests and SEM observations accompany the previous characterizations.The whole of this work of thesis leads to simple rules of reinforcement of mortars by vegetable fibers allowing a replacement of the polypropylene fibers for an equivalent effectiveness.
Les enjeux économiques liés à la hausse des coûts des ressources fossiles, leur raréfaction et les impact environnementaux inhérents à leur utilisation conduisent les acteurs de la construction à s’orienter vers des matériaux à faible impact environnemental. Les ressources issues de la biomasse sont alors au premier plan, agricoles notamment, dont les fibres provenant des tiges des plantes. Parmi ces fibres, le lin et le chanvre se démarquent en raison de leurs propriétés mécaniques comparables à celles des fibres synthétiques et de leur disponibilité en France.Le travail de thèse réalisé vise à développer un matériau composite innovant par l’association des fibres de lin ou de chanvre et d’une matrice cimentaire ou pouzzolanique. Ce matériau pourra être utilisé sous forme de couches minces en enduits intérieurs et extérieurs. Ses performances ont été analysées en comparaison avec celles obtenues par addition de fibres en polypropylène. Ces dernières sont présentes sur le marché pour réduire la sensibilité à la fissuration au jeune âge, améliorer la résistance aux chocs et le comportement au feu.Après avoir défini la carte d’identité de chaque type de fibre utilisée, nous présentons l’élaboration des mortiers et l’influence de l’incorporation de fibres polypropylènes et végétales sur la rhéologie (temps d’écoulement et étalement). Incorporées dans un mortier à base de liant minéral, les fibres végétales perturbent le comportement du mélange à l’état frais (absorption d’une partie de l’eau de gâchage et résistance au mouvement entre particules). L’ajout d’eau et de superplastifiant permet de maintenir les caractéristiques du mortier de référence. Par ailleurs, la migration des extractibles de la surface des fibres vers la matrice perturbe l’hydratation du liant et retarde légèrement la prise du matériau. Les fibres polypropylènes montrent un effet neutre sur l’ouvrabilité du matériau ainsi que sur le processus d’hydratation.La suite du travail aborde la sensibilité à la fissuration due au retrait plastique des composites au jeune âge. Un tunnel chauffé et ventilé est utilisé pour produire des conditions environnementales sévères et la sensibilité à la fissuration est testée via deux essais. Le premier consiste à couler le mortier dans un moule présentant des surélévations. Le second se sert d’une brique comme support pour une couche mince afin de travailler dans des conditions proches de la réalité. Les résultats de ces deux essais sont cohérents et montrent que la présence des fibres végétales réduit de façon considérable la sensibilité des mortiers à la fissuration. Ces essais sont complétés par la mesure du retrait plastique libre et la perte de masse au cours du temps.La caractérisation des composites à l’état durci est ensuite développée. Le point principal abordé est l’évaluation de la résistance à l’impact. Un essai spécifique a été développé utilisant les ondes ultrasonores pour repérer la fissuration puis la rupture des éléments. Les résultats montrent que l’ajout de fibres (polypropylène ou végétales) permet d’améliorer la ténacité du matériau en augmentant l’énergie nécessaire pour atteindre la rupture après fissuration. Pour compléter la carte d’identité mécanique, les résistances en flexion et en compression à plusieurs échéances sont présentés. Enfin, les essais de porosité à l’eau et les observations au MEB accompagnent les caractérisations précédentes.L’ensemble de ce travail de thèse aboutit à des règles simples de renforcement des mortiers par des fibres végétales permettant un remplacement des fibres de polypropylène pour une efficacité équivalente.
Fichier principal
Vignette du fichier
2022MatthieuSAAD.pdf (9.49 Mo) Télécharger le fichier
Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03772550 , version 1 (08-09-2022)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03772550 , version 1

Citer

Matthieu, Mahmoud Saad. Potentiel des fibres végétales courtes dans l’amélioration du comportement mécanique des mortiers. Génie civil. INSA de Toulouse, 2022. Français. ⟨NNT : 2022ISAT0013⟩. ⟨tel-03772550⟩
549 Consultations
537 Téléchargements

Partager

Gmail Facebook X LinkedIn More