Thèse Année : 2022

Valorization of vegetal fibers in cementitious materials : application in screed concrete formulations

Valorisation des fibres végétales dans des matériaux cimentaires : application dans les formulations de chapes fluides

Résumé

Growing environmental concerns are leading the construction industry to look for innovative, reliable and sustainable materials that can replace the synthetic fibers usually used for reinforcement of building materials with natural fibers. Natural fibers are considered as potential alternatives, due to their environmental sustainability and availability. Accordingly, and in order to develop new regional applications based on vegetal fibers, the FIBRABETON project, financed by the ADEME, the Grand-Est region and the FEDER, has been developed. This project associates three partners: the French cement manufacturer VICAT, which offers fluid screed solutions, the company Fibres Recherche Développement (FRD), which prepares vegetal fibers, and the ESTP, which carries out research and works on the characterization of fluid screed formulations. The objective of the thesis is to develop fluid screed formulations by substituting synthetic polypropylene fibers with vegetal fibers, while achieving at least similar performances. This research focused on the use of soft and rigid vegetal fibers (hemp, flax, miscanthus and bamboo) in the formulation of anti-cracking screed (monofibered) and structural screed (bifibered). The four natural fibers are of two sizes, 5 mm and 15 mm, and were used at different contents. An experimental program focused on the characterization of the fibers on the physicochemical level (composition, structure, ...) has been performed. The influence of fiber type, content and size were investigated and their impact on the performance of fiber screeds was determined by workability, air content and bulk density control tests. Heat of hydration parameters, shrinkage free deformations and mechanical properties (flexural and compressive) were also studied. In addition, scanning electron microscopy was used to characterize the surface condition of the soft and rigid fibers and the interface with the cementitious matrix as well as their dispersion. The main results obtained in relation to the length of the fiber and its content on the mechanical performances are in accordance with those of the literature. Namely, the higher the fiber content, the higher the flexural strength but the lower the compressive strength. Overall, the results of flexural strength and compressive strength are better with vegetal fibers than those obtained with synthetic fibers. As regards the fresh state, the spreading is more fluid in the case of rigid fibers than that of soft fibers. This result is to be corroborated with the aspect ratio of the soft fiber, which is higher, inducing more occluded air and therefore less bulk density. In the case of rigid fibers, since the aspect ratio is lower, the flexural strength values obtained are high and this with higher content. In the case of the mono-fibered screed formulation, the optimal content is 1.2 kg/m3 of 5 mm hemp in order to obtain the optimal characteristics in terms of workability and mechanical performance. In the case of the bifibered formulation (soft fibers - rigid fibers), in terms of flexural strength, most of the proposed formulations exceed those based on synthetic fibers. SEM images of the soft fibers show a change in shape when embedded in a cementitious matrix. This change affects the aspect ratio. A linear regression numerical model was developed for the prediction of the mechanical strengths of mono and bi-fibered fluid screed formulations

Les préoccupations environnementales croissantes amènent le secteur de la construction à rechercher des matériaux innovants, fiables et durables, capables de remplacer les fibres synthétiques habituellement utilisées pour le renforcement des matériaux de construction. Les fibres naturelles sont considérées comme des alternatives potentielles, en raison de leur respect de l'environnement et, de leur disponibilité. Dans cette logique, et afin de favoriser les filières régionales et développer de nouveaux marchés à base de fibres végétales, le projet FIBRABETON, financé par l’ADEME, la région Grand-Est et le FEDER a vu le jour. Ce projet réunit trois partenaires : le cimentier français VICAT qui propose des solutions de chapes fluides, la société Fibres Recherche Développement (FRD) qui prépare les fibres végétales et l’ESTP qui mène des travaux de recherche et travaille sur la caractérisation des formulations de chape fluide. L’objectif de la thèse est de mettre au point des formulations de chapes fluides en substituant les fibres synthétiques de type polypropylène par des fibres végétales, tout en atteignant des performances a minima équivalentes. Cette recherche a porté sur l’utilisation de fibres végétales souples et rigides (chanvre, lin, miscanthus et bambou) dans la formulation de chape antifissuration (monofibrée) et de chape structurelle (bifibrée). Ces quatre fibres naturelles ont été étudiées avec deux longueurs distinctes (5 mm et 15 mm) et des dosages différents. Une première partie de la campagne expérimentale a porté sur la caractérisation des fibres sur le plan physico-chimique (composition, structure,…). Puis, l'influence du type de fibre, de la teneur et de la taille a été investigué en étudiant leur impact sur les performances des mortiers de chapes fibrés par des essais de contrôle d’ouvrabilité, de teneur en air et de masse volumique. La chaleur d’hydratation, les déformations libres liées au retrait et les propriétés mécaniques (flexion et compression) ont également été suivies. De plus, la microscopie électronique à balayage (MEB) a été utilisée pour caractériser l'état de surface des fibres souples et rigides, l’interface avec la matrice cimentaire ainsi que leur dispersion.Les principaux résultats obtenus par rapport à l’impact de la longueur de la fibre et de son dosage sur les performances mécaniques sont conformes à ceux de la littérature. A savoir, plus le dosage de fibres est élevé, plus la résistance à la flexion est importante mais plus la résistance à la compression est faible. Globalement, les résultats de résistance à la flexion et à la compression, sont supérieurs avec les fibres végétales à ceux obtenus avec des fibres synthétiques. En ce qui concerne l'état frais, l'étalement est plus important dans le cas des fibres rigides que celui des fibres souples. Ce résultat est à corroborer avec le rapport d’aspect de la fibre souple qui est plus élevé ce qui induit plus d’air occlus et donc une densité réduite. Dans le cas des fibres rigides, étant donné que le rapport d’aspect est plus faible, les valeurs de la résistance à la flexion obtenues sont élevées et ce avec des dosages plus importants. Dans le cas de la formulation chape mono fibrée, le dosage optimal en termes d’ouvrabilité et de performance mécanique est 1,2 kg/m3 de fibres de chanvre de longueur 5 mm. Dans le cas de la formulation bifibrée (fibres souples – fibres rigides), en ce qui concerne la résistance à la flexion, la plupart des formulations proposées dépassent celles à base de fibres synthétiques. Les images MEB des fibres souples démontrent un changement de forme lorsqu’elles sont enrobées dans une matrice cimentaire. Ce changement affecte le rapport d'aspect. Enfin, un modèle numérique de régression linéaire a été utilisé pour prédire les résistances mécaniques des formulations de chapes fluides mono et bifibrées

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Citer

Sergio Pons Ribera. Valorisation des fibres végétales dans des matériaux cimentaires : application dans les formulations de chapes fluides. Génie civil. Université Gustave Eiffel, 2022. Français. ⟨NNT : 2022UEFL2040⟩. ⟨tel-04018330⟩

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