ELEMENTS BIBLIOGRAPHIQUES ET CARACTERISATION EXPERIMENTALE DES MATERIAUX

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1 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.

2 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 prédéfinis 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

3 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

4 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 Types de granulats légers 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/m 3, tandis que celle de la pierre naturelle est de 2700 kg/m 3. L écart de masse volumique s explique par la porosité élevée du granulat φ g, 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. Vcapillaires φ g = (I.1) V granulat avec V capillaires : volume des vides contenus dans le granulat (m 3 ) V granulat : volume total occupé par le granulat (m 3 ) 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

5 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 m 3 par an, ce qui reste encore très faible. Ces granulats contiennent de nombreux capillaires, entraînant une porosité φ g 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, CO 2,O 2, SO 2, SO 3 ) générés par la cuisson. Ceci les rend beaucoup plus légers que les granulats classiques avec une masse volumique sèche ρ granulat comprise entre 800 et 1200 kg/m 3. 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

6 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 Propriétés mécaniques des bétons légers 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 φ g, 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 φ l. 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

7 CHAPITRE 1 : Eléments bibliographiques et caractérisation expérimentale des matériaux V vides φ l = (I.2) Vliant avec V vides : volume des vides contenus dans la matrice de liant (m 3 ) V liant : volume total occupé par la pâte de liant (m 3 ) 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. φ V vides meso = (I.3) V t avec V vides : volume des vides contenus dans le matériau autres que l'air intra-liant et intraparticule (m 3 ) V t : volume total occupé par le matériau (m 3 ) Liant Granulat Air mesoscopique Air intraparticule Air mesoscopique Air intraliant Fig.I. 1: Porosités du béton

8 Granulats Constituants nom masse (kg) volume (m 3 ) granulat minéral (grés, granite...) argile expansée copeaux de bois en vrac granulat bois Agresta ρ (kg/m3) porosité φ Rc (MPa) 2600 < 1% à 70% 6 à % % - 10 à 12 E (GPa) ε (m/m) - Béton hydraulique Béton argile expansé Béton cellulaire granulat 755 0,285 sable 925 0,350 ciment 440 0,140 eau 210 0,210 air - 0,015 granulat 351 0,414 sable 602 0,230 ciment 400 0,127 eau 193 0,193 air - 0,025 mortier ciment air copeaux de bois 170 0,212 ciment 350 0,113 Béton de bois eau 200 0,200 air - 0, % 3,5 à sable * 250 0,096 filler * % % à 82% 5 2 à * : charge minérale non obligatoire Tab.I. 1 : Caractéristiques mécaniques de quelques bétons légers

9 CHAPITRE 1 : Eléments bibliographiques et caractérisation expérimentale des matériaux 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/m 3 alors qu elle se situe autour de 1600 kg/m 3 pour un béton d argile expansée, entre 600 et 900 kg/m 3 pour un béton de bois et qu elle varie entre 350 et 650 kg/m 3 pour un béton cellulaire (norme NF P ). 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 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

10 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 φ g, 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 φ g 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

11 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. 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 = K s.ln(p cr / p) K s, P cr : porosité correspondant à σ = 0 Balshin σ = σ 0 (1 - p) n σ 0 : résistance à porosité 0 p: porosité du béton cellulaire p:porosité du béton cellulaire Tab.I. 2 : Formules empiriques reliant la résistance à la compression, la composition et la porosité [NARAYANAN & RAMAMURTHY, 00b] Module d'élasticité E 6000 (α) 1,5 S Notations α: masse volumique sèche (g.cm -3 ) S: résistance à la compression sur cube en kg.cm S 0,7 S: résistance à la compression sur cube en kg.cm S p S p : résistance à la compression sur prisme en kg.cm -3 k γ sec (f c ) 0,5 c 1 (ρ - c 2 ) k: constante variant entre 1,5 et 2 γ sec : masse volumique sèche (kg.m -3 ) f c : résistance à la compression (MPa) c1, c2: constantes ρ: masse volumique sèche (kg.m -3 ) Tab.I. 3: Equations prédictives du module d élasticité E du béton cellulaire [NARAYANAN & RAMAMURTHY, 00b] Cependant, il faut nuancer cette corrélation entre performances et porosité en fonction du type 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

12 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 légers à hautes performances. [ROSSIGNOLO & al., 03] ont travaillé sur des mélanges de granulats légers brésiliens (argiles expansées) dosés entre 224 et 293 kg/m 3 et des quantités élevées de ciment variant entre 440 et 710 kg/m 3. 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/m 3. 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/m 3. Enfin, [SCHINK, 03] rajoute des fibres métalliques dans les bétons légers afin d obtenir des Bétons Hautes Performances allégés Sensibilité à l eau Les granulats, poreux et perméables, permettent les transferts hydriques sous forme liquide 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 Π m représente la faculté qu a un matériau de laisser un fluide s écouler 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 L absorption est un phénomène physique par lequel un liquide migre de l extérieur vers l 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

13 CHAPITRE 1 : Eléments bibliographiques et caractérisation expérimentale des matériaux ménisque, lui-même dépendant du rayon du capillaire. La pression de vapeur d'équilibre audessus du ménisque ou pression de capillarité P c, dépend également de ce rayon et vaut : 2 σ lv cosαm Pc = (I.4) r avec σ lv : tension de surface à l interface liquide vapeur (0,072 N.m -1 à T = 20 C) α m : angle de mouillage de l eau sur le granulat (rad) La pression de vapeur saturante (P vs ) est la pression pour laquelle l air contient la quantité maximale de vapeur d eau à une température T donnée. L angle de mouillage α m correspond à l inclinaison du ménisque le long de la paroi. AIR ANGLE α m EAU Fig.I. 4 : Remontée d eau dans le tube par pression capillaire Pour donner une ordre de grandeur, un capillaire de rayon 100 µ m a une pression capillaire de 1440 Pa si on considère que le granulat est parfaitement mouillé (cosα m = 1). Ce résultat est interprétable en terme de hauteur de remontées capillaires h c avec à l équilibre : ρ w g h c = P c (I.5) d où h c 2σ lv cosα m = r g ρ Une pression de Pa correspond alors à une hauteur d eau de 14,4 cm. Pour un capillaire de 10 µm de diamètre, la pression atteint 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. w (I.6) Cependant, l'absorption n est possible que si les capillaires du réseau poreux communiquent pour permettre le transfert de l eau : on parle alors de porosité ouverte φ ouverte ou connectée. Lorsque le matériau contient des pores emprisonnés comme dans le cas du

14 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 l absorption. porosité ouverte (%) % pores diamètre > 2 microns Ponce 55,0 68,0 Argile expansée 53,9 11,7 Schiste expansé 37,0 34,7 Cendre frittée 37,0 17,6 Tab.I. 4 : Porosité ouverte des granulats et proportion de capillaires de diamètre supérieur à 2 microns Il constate que la plus grande partie de l eau est absorbée en quelques minutes et que la quantité d eau absorbée n est pas corrélée à la porosité ouverte mais à la porosité ouverte de diamètre supérieur à 2 microns. Ceci est confirmé par la comparaison entre le volume de liquide maximal absorbé par les granulats et le volume total des capillaires de diamètre supérieur à 2 microns qui sont quasiment identiques Conséquences sur la prise La mise en présence de constituants possédant des microstructures différentes génère une compétition entre les éléments pour absorber l'eau du mélange, ce qui a des répercussions sur la prise du liant. Pour évaluer ce phénomène, Vaquier a comparé le comportement de granulats de ponce contenant trois quantités d eau différentes. Il a suivi l évolution temporelle du taux de saturation Sr des granulats noyés dans un mortier de ciment. Connaissant la quantité maximale d eau que peut capter le granulat, on définit le degré de saturation Sr comme le rapport entre le volume d eau contenu dans les granulats et le volume total de vides. Lorsque Sr = 0 % le granulat est parfaitement sec et lorsque

15 CHAPITRE 1 : Eléments bibliographiques et caractérisation expérimentale des matériaux Sr = 100 %, tous les vides sont occupés par l eau. La teneur en eau massique ω indique la quantité d eau liquide contenu dans un matériau par rapport à la masse sèche de ce matériau. avec M eau : masse d eau dans le matériau M sèche : masse de matériau anhydre ω (I.7) = M M eau sèche Trois degrés de saturation Sr ont été testés Sr = 0 %, 70 % et 100 % (Fig.I. 6). Fig.I. 6 : Variation temporelle du degré de saturation en eau Sr des granulats de ponce dans un mortier [ARNOULD, 76] Lorsque le granulat est non saturé, il absorbe l eau présente dans le mortier et son taux de saturation augmente pendant 1 à 2 heures. C est la phase de succion. Après avoir atteint un maximum, Sr diminue et l eau quitte le granulat, qui joue donc un rôle de «réservoir d eau». A l inverse, dans le cas de granulats saturés en eau, la phase de succion n existe plus. Pendant quelques heures, Sr reste constant à 100 % (plateau). Puis, Sr décroît car le granulat libère de l'eau. Il est important de noter que les pentes des courbes représentant la diminution de Sr sont parallèles, ce qui laisse à penser que c est l hydratation du ciment qui pilote l assèchement des granulats. Ce comportement vis à vis de l eau explique le fait que les granulats légers soient préalablement saturés, de façon à laisser la réaction d hydratation du liant s initier avec l eau disponible dans le mélange. Le deuxième effet de l'absorption concerne d'éventuelles variations dimensionnelles du matériau, induites en particulier par le gonflement des granulats. Dans le cas du béton de bois, les variations dimensionnelles sont de l ordre de 5 mm/m tandis que la norme préconise

16 des variations inférieures à 0,45 mm/m pour une utilisation en génie civil. Elles peuvent atteindre 10 mm/m pour des granulats particulièrement hydrophiles. Pour diminuer ces variations, on peut augmenter le dosage en ciment dans le béton afin d augmenter la rigidité de la matrice entourant le granulat et bloquer le gonflement. Des essais ont permis de d évaluer les gains massiques et le taux de saturation Sr de particules de bois AGRESTA seules (épicéa) et d un béton de bois de masse volumique 600 kg/m 3 incluant ces particules (Tab.I. 5). En une minute, les particules AGRESTA sont capables d absorber l équivalent de leur poids sec, ce qui représente plus de la moitié des volumes de vides disponibles. Le taux d absorption dépend de la nature des copeaux de bois mais le niveau reste toujours élevé. De même, les niveaux d'absorption sont importants pour le béton de bois. Temps 1 minute 24 heures 28 jours Copeaux bois Béton de bois gain massique gain massique 100% 20% 140% 27% 160% 32% Sr (%) Sr (%) 62% 23% 87% 31% 100% 37% Tab.I. 5: Gain massique en eau et taux de saturation Sr de copeaux de bois AGRESTA (épicéa) et du béton de bois correspondant Les variations dimensionnelles consécutives à l absorption d eau par ce béton de bois sont indiquées ci-dessous (Tab.I. 6). Gain massique (%) 20% 27% 32% Gonflement ( ) 2,25 3,75 4,25 Tab.I. 6 : Variations dimensionnelles dues à l absorption de l eau pour du béton de bois Agresta [PIMENTIA & al., 94] Ce comportement vis-à-vis de l eau pose des difficultés d utilisation que ce soit en tant que matériau de remplissage ou en tant que matériau structurant. En effet, les variations dimensionnelles vont créer des efforts sur la structure porteuse (matrice cimentaire ou panneaux des murs à remplir). Celle-ci peut alors être détériorée (fissures, déformations ) et offrir un aspect peu attractif donc incompatible avec une utilisation dans l habitat La sorption/désorption Les matériaux possèdent la capacité de condenser l eau présente dans le milieu extérieur à l état vapeur. C est le phénomène de sorption-désorption. Il se quantifie en mesurant les variations de masses des échantillons en fonction des conditions

17 CHAPITRE 1 : Eléments bibliographiques et caractérisation expérimentale des matériaux thermodynamiques de conservation (température T fixe et hygrométrie extérieure H R variable). L hygrométrie H R (en %) caractérise le degré d humidité d une ambiance. On définit cette humidité relative comme le rapport de la pression de vapeur (P v ) existant dans un gaz et de la pression de vapeur saturante (P vs ) dans les mêmes conditions de température. P H P v (I.8) R = 100 vs H R permet donc de connaître la fraction de vapeur réellement présente dans l air pour une température donnée par rapport à la quantité totale de vapeur que peut contenir l air sous cette même température. Lorsque la température T baisse, l air se refroidit et la pression de vapeur saturante diminue donc la quantité de vapeur que peut contenir l atmosphère baisse (air relativement sec en altitude). En revanche, plus la température T sera élevée et plus l air pourra contenir de vapeur d eau (humidité observable dans les zones tropicales) La pression de vapeur (P v ) est la pression pour laquelle un corps pur en phase condensée (liquide ou solide) est en équilibre avec sa phase vapeur sous une température T donnée et fixée. Les courbes de sorption-désorption représentent usuellement la teneur massique en eau ω du matériau sous une humidité H R variant entre 0 et 100 %. Les figures suivantes permettent de réaliser un comparatif entre des matériaux peu absorbants comme le ciment, le plâtre ou la brique et des matériaux absorbants comme le béton cellulaire ou le béton de bois DURISOL (mélange ciment et particules de bois issues du recyclage des charpentes)

18 Fig.I. 7 : Courbes de sorption de quelques matériaux [SERADA & FELDMAN, 01] Fig.I. 8: Courbes de sorption et désorption du béton cellulaire de ρ = 500 kg/m 3 à T = 20 C [AAC, 78]

19 CHAPITRE 1 : Eléments bibliographiques et caractérisation expérimentale des matériaux ρ (kg/m3) Gain massique sous H R =50% Veau (m 3 ) pour 1 m 3 de matériau plâtre - ciment ,20% 0,005 brique ,50% 0,009 beton hydraulique % 0,046 béton cellulaire 500 3% 0,015 béton de bois 800 8% 0,064 Tab.I. 7 : Gain massique et volumique de différents matériaux sous H R = 50 % Le tableau I.7 permet de comparer les quantités d eau effectivement présentes dans les matériaux sous H R = 50 %. On note l existence d un rapport volumique de 12 entre la quantité d eau adsorbée par le mélange plâtre-ciment et celle adsorbée par le béton de bois. De même, on observe un rapport volumique de 3 entre le béton hydraulique et le béton cellulaire, bien que la teneur en eau massique ω des deux matériaux soit très proche. Ces constatations permettent de souligner le fait que les courbes de sorption-désorption doivent être utilisées avec prudence. Il convient de se ramener à des notions de concentrations volumiques afin d évaluer la place occupée par l eau et l impact sur les propriétés du matériau, principalement dans le domaine thermique Propriétés thermiques La conduction thermique λ est le flux de chaleur par mètre carré, traversant un matériau d un mètre d épaisseur pour une différence de température d un degré entre ses deux faces. Cette propagation d énergie se produit dans un solide par agitation des molécules constitutives du matériau. La conductivité thermique λ est donc une grandeur intrinsèque du matériau, qui dépend uniquement de ses constituants et de sa microstructure. Un béton usuel à base de granulats rigides, contient de l'air, dû à l'arrangement de la phase solide (squelette granulaire) et à la prise de liant. Or, l air immobile conduit faiblement la chaleur. Les bétons à base de granulats légers ont donc été développés, car ils permettent d'augmenter la proportion volumique d'air dans le matériau (i.e. la porosité), en ajoutant l'air intra-particule (i.e. du granulat). A titre comparatif, un béton hydraulique (ρ = 2300 kg/m 3 ) a une conductivité thermique de 2,0 W/(m.K) tandis qu un béton d argile expansé (ρ = 1600 kg/m 3 ) a une conductivité thermique de 0,60 W/(m.K). Cependant, cette relation entre porosité et faible conductivité thermique doit être nuancée en tenant compte d un autre mode de transfert de la chaleur, la convection. Cette dernière traduit les transferts de chaleur entre un solide immobile et un fluide en mouvement. Lorsque le matériau contient un important réseau de pores connectés, l air peut s y déplacer et les transferts de chaleur par convection peuvent devenir significatifs. En revanche, un

20 matériau contenant un grand nombre de pores occlus comme le béton cellulaire (φ 80 %) ne présente pas de convection. Plus de la moitié de l air est immobile dans les pores occlus et la conductivité thermique est faible (Fig.I. 9). Fig.I. 9 : Conductivité thermique λ en fonction de la masse volumique sèche du béton cellulaire [AAC, 78] Un deuxième élément permettant de caractériser les propriétés thermiques des matériaux est la chaleur massique ou chaleur spécifique C en J/(kg.K). Cette grandeur caractérise la quantité de chaleur nécessaire pour élever la température de l unité de masse de 1 C. Plus la chaleur massique sera élevée, plus le matériau aura besoin d énergie pour que sa température augmente. Il sera donc moins sensible aux variations de températures du milieu extérieur. Un coefficient C élevé traduit une forte inertie thermique donc une tendance du matériau à peu évoluer lorsque les conditions extérieures changent. Il sert ainsi de régulateur de la température à l intérieur de la structure. Enfin, à partir de la conductivité λ et de la chaleur massique C, on définit la diffusivité a (J/(m.K)). Cette grandeur caractérise la vitesse à laquelle la chaleur se propage par conduction dans un corps. Plus la valeur de a est faible, plus la chaleur met de temps à traverser le matériau. a = ρ λ (I.9) c Ainsi, le pouvoir isolant du matériau dépend non seulement de la valeur de λ mais également de la vitesse de transfert thermique traduite par a

21 CHAPITRE 1 : Eléments bibliographiques et caractérisation expérimentale des matériaux ρ (kg/m 3 ) porosité φ C (J/kg.K) λ (W/(m.K)) a (m 2.s -1 ) Air 1, ,026 2,2E-05 Eau liquide ,602 1,4E-07 Styrodur ,033 - Cuivre ,2E-04 Contreplaqué ,12 1,1E-07 Béton hydraulique % ,80 à 2,00 7,4 à 8,2E-07 Béton argile expansé % 900 0,46 3,2E-07 Béton cellulaire 350 à à 82% 880 0,16 à 0,33 5,2 à 5,8E-07 Béton de bois 600 à % ,09 à 0,30 1,2 à 2,8E-07 Brique ,15 7,40E-07 Tab.I. 8 : Caractéristiques thermiques de quelques matériaux Une synthèse des caractéristiques thermiques de quelques matériaux est faite dans un but comparatif (Tab.I. 8). On constate par exemple, qu un béton cellulaire est plus poreux qu un béton de bois et possède une conductivité thermique plus faible. En revanche, il diffuse la chaleur plus rapidement. Un dernier élément concernant les propriétés thermiques des bétons légers est lié au pouvoir absorbant de ces matériaux, qui peuvent contenir des quantités d eau non négligeables. L eau étant un excellent conducteur, elle induit une augmentation de la conductivité thermique du béton, en se substituant à l air isolant. Divers travaux ont permis de corréler la conductivité thermique λ et la teneur en eau massique ω des bétons légers par des formules empiriques. Des mesures expérimentales sur du béton de bois ont montré que la conductivité thermique augmentait de 40 à 90 % pour des teneurs en eau ω de 30 %

22 Cependant, les variations de λ dépendent de la masse volumique sèche puisqu'une teneur en eau massique ω identique pour deux bétons de bois ne représentera pas le même volume d'eau dans chaque matériau humide. Ceci permet d'expliquer les écarts observables sur la figure suivante. λ (W/(m.K)) 0,5 0,45 0,4 0,35 0,3 0, kg/m3 0,2 550 kg/m3 0,15 0,1 0,05 0 0% 5% 10% 15% 20% 25% 30% Teneur en eau massique ω (%) Fig.I. 10 : Conductivité thermique sèche et humide de deux bétons de bois DURISOL [KOSNY & DESJARLAIS, 94] Des études similaires à celles réalisées sur les bétons de granulats légers, ont été menées sur le béton cellulaire, afin d évaluer les variations de conductivité λ induites par la présence d eau liquide. Fig.I. 11 : Conductivité thermique λ en fonction de la teneur en eau massique ω du matériau [AAC, 78]

23 CHAPITRE 1 : Eléments bibliographiques et caractérisation expérimentale des matériaux Les premiers études de ce phénomène, on considère qu il existait une dépendance quasi-linéaire entre la conductivité et la masse volumique [AAC, 78]. Cependant, ces conclusions ont été obtenues en couvrant une gamme restreinte de teneurs en eau (Fig.I. 11). Plus tard, [BOUTIN, 96] montre par homogénéisation que la dépendance entre λ et ρ n est pas linéaire mais curviligne. Cette approche théorique est largement abordée dans le chapitre 3 consacré aux propriétés thermiques. Cependant, quelle que soit la forme mathématique de la relation entre teneur en eau ω et conductivité, il est important de retenir que la présence d eau diminue le pouvoir isolant des matériaux dans des proportions non négligeables Propriétés acoustiques Le dernier élément de caractérisation des matériaux concerne les propriétés acoustiques. Les mécanismes mis en jeu sont amplement détaillés dans le chapitre consacré au comportement acoustique. Ce paragraphe présente de manière succincte les quelques éléments permettant de cerner les enjeux de cette étude. Lorsqu un son est émis, une onde acoustique se propage dans l air jusqu à atteindre un obstacle. Lorsque cette onde incidente rentre en contact avec un matériau, deux ondes sont créées : une onde réfléchie qui se propage dans le même milieu que l onde incidente, une onde transmise qui traverse le matériau de part en part. Un traitement acoustique est une démarche qui va influer soit sur l onde transmise, soit sur l onde réfléchie de façon à améliorer l acoustique d un local. L isolation acoustique vise à limiter la transmission des sons de part et d autre d un matériau. Cette isolation est généralement réalisée par de matériaux de forte densité car leur inertie fait qu'ils sont plus difficilement mis en mouvement par les ondes acoustiques. Ils génèrent donc moins d ondes transmises par vibrations. Les bétons légers, comme leur nom l indique, ne fonctionnent pas par cet effet de masse. On peut également limiter la transmission du son en imperméabilisant la surface du matériau. Les ondes sont alors réfléchies et renvoyées vers la source émettrice. Les matériaux peu perméables sont donc de bons isolants, dans le sens où ils empêchent la transmission du son entre deux pièces contiguës. Cependant, les ondes réfléchies viennent perturber l intelligibilité du discours dans le local, en créant des interférences. La troisième façon d agir sur les ondes acoustiques est l absorption. Les matériaux amortissement les sons par dissipation visqueuse. Cependant, ce mécanisme de dissipation d énergie suppose que les ondes puissent pénétrer dans le matériau et disposer d un espace

24 suffisant pour être amorties. Il faut donc une certaine perméabilité et une porosité ouverte importante. La perméabilité Π d'un matériau homogène, se définit à partir de la loi de Darcy, qui relie le débit du fluide traversant à la perte de charge et à la surface traversée. Dans le cas d un écoulement non turbulent dans un milieu isotrope, on a : v = - Π P (I.10) η Q = Π S P (I.11) η l avec v : vitesse d écoulement du fluide (m.s -1 ) Π : coefficient de perméabilité du matériau (m 2 ) η : viscosité dynamique du fluide (Pa.s) Q : débit volumique du fluide l : épaisseur du matériau poreux (m) S : section de passage du fluide (m 2 ) P = P 2 P 1 : différence de pression appliquée sur chaque face de l échantillon (Pa) Lorsque le fluide traversant le poreux est de l air, on utilise comme paramètre la résistance au passage de l air σ. Elle peut se calculer directement à partir des mesures réalisées sur un perméamètre, grâce à la relation : σ = P 2 - P S l Q 1 (I.12) σ varie entre et Pa.s.m -2 pour les matériaux poreux couramment utilisés en génie civil. En combinant (IV.11) et (IV.12), on en déduit la relation de passage entre résistivité à l air et perméabilité macroscopique : = 1 η σ Π (I.13) Le pouvoir absorbant d un matériau se caractérise par le coefficient d absorption α. Quand α = 1, toute l énergie de l onde incidente est dissipée donc le son est entièrement amorti. Quand α = 0, le son n est pas amorti du tout. Ce coefficient α dépend de la fréquence. En général, il est mesuré sur toute la gamme de fréquences, puis moyenné sur des bandes de fréquences appelées octaves. Ceci permet de comparer plus facilement les matériaux entre eux. Parmi les bétons légers, seul le béton de bois est utilisé actuellement pour ses qualités acoustiques, car il représente un bon compromis entre une certaine masse volumique et une bonne capacité d absorption. La Fig.I. 12 permet de comparer le coefficient d absorption α du

25 CHAPITRE 1 : Eléments bibliographiques et caractérisation expérimentale des matériaux béton de bois STRUCTA (panneau double faces commercialisé par Béton Bois Système), celui du béton cellulaire Siporex (mesures LGM), et ceux du béton peint, de la brique, du contre-plaqué et du plâtre (mesures CEBTP). Au delà de 400 Hz, le béton de bois absorbe plus de 80 % de l énergie de l onde incidente, ce qui traduit une atténuation très importante du son. Seul 20 % de l énergie acoustique incidente est réfléchie par le matériau. Le pouvoir absorbant du béton de bois est deux à trois fois plus élevées que celui des autres matériaux de construction rencontrés usuellement dans le bâtiment. 1,0 0,9 α 0,8 0,7 0,6 0,5 Panneaux Béton Bois Système - Mur double face STRUCTA - e=13cm Béton Cellulaire Siporex (e=5cm) Béton peint Contre-plaqué Briques Plâtre 0,4 0,3 0,2 0,1 0, Fréquence (Hertz) Fig.I. 12: Coefficient d absorption acoustique α par octave de quelques matériaux (LGM et CEBT) ρ (kg/m 3 ) porosité φ perméabilité Π (m 2 ) α Contreplaqué ,10 à 0,40 Béton hydraulique % à ,30 à 0,40 Béton argile expansé % - - Béton cellulaire 350 à à 82% 1 à ,21 à 0,32 Béton de bois 600 à % - > 0,55 Brique < 0,05 Tab.I. 9 : Caractéristiques acoustiques de quelques matériaux

26 En conclusion, la porosité globale d un matériau n explique pas à elle seule une bonne ou une mauvaise absorption acoustique. Le béton cellulaire par exemple possède une forte porosité mais il n absorbe pas plus de 40 % du son, car il est peu perméable. L onde sonore ne parvient pas à pénétrer dans le matériau et ne peut donc pas être amortie. Il en est de même pour le plâtre et la brique dont les surfaces sont peu perméables. L'étude du comportement acoustique devra donc prendre en compte ces deux paramètres simultanément, afin d'analyser les données expérimentales recueillies (chapitre 4). 2. CARACTERISATION EXPERIMENTALE DES CONSTITUANTS Le béton de chanvre est un mélange dans des proportions très variables de deux constituants de nature très différente, à savoir un granulat d origine végétale et un liant à prise hydraulique et aérienne. Les caractéristiques de chacun des composants sont exposées dans un premier temps, avant d aborder les propriétés du mélange Le liant Composition chimique Les deux liants utilisés sont composés d un mélange de chaux hydraulique et de chaux aérienne. Le premier liant s appelle le T70 et le second le Tradichanvre, ce qui correspond à la dénomination commerciale de ces produits. Les compositions massiques et volumiques sont indiquées ci-dessous (Tab.I. 10). Le signe * dans T70 indique que ce liant contient environ 10 % en volume de pouzzolanes (inclus dans la chaux hydraulique). MASSE VOLUME chaux chaux chaux chaux sable hydraulique aérienne hydraulique aérienne sable T70* 37% 63% - 25% 75% - Tradichanvre 22% 58% 20% 10% 55% 35% Tab.I. 10: Composition chimique des liants T70 et Tradichanvre Les proportions sont de 1/3 de chaux hydraulique pour 2/3 de chaux aérienne. Compte tenu des mécanismes de prise différents pour les deux types de chaux, ceci laisse présager d un durcissement en deux étapes. De plus, le liant contient des ajouts parmi lesquels un entraîneur d air, qui explique la porosité observable sur les échantillons après prise (Fig.I.13,

27 CHAPITRE 1 : Eléments bibliographiques et caractérisation expérimentale des matériaux I.14 et I.15). Le T70 entre dans la composition du béton de chanvre et le Tradichanvre est utilisé pour formuler des enduits. Fig.I. 13 : Coupe d un échantillon de T70 après sa prise Pores de diamètre 0,1 mm Fig.I. 14 : Pores de taille mésoscopique dans le liant T70 10 µm Fig.I. 15 : Pores de taille microscopique dans le liant T

28 Les trois figures montrent les différentes tailles de pores observables dans le liant pur. On note l existence de deux échelles distinctes avec des pores de diamètre de l ordre du micromètre (échelle micro), des pores de diamètre de l ordre du dixième de millimètre (échelle meso). Ces tailles de pores faibles vont entraîner des pressions de capillarité élevées donc des hauteurs de remontées capillaires importantes. Le liant T70 possède donc une sensibilité à l eau dont il faudra tenir compte dans l étude. Des conclusions identiques sont obtenues pour le Tradichanvre Hauteur remontées capillaires (m) angle de mouillage ( ) ,5 0,1 0,05 0,01 0 0,001 Diamètre capillaires (mm) Fig.I. 16 : hauteur de remontées capillaires pour des pores de diamètre compris entre 1µm et 1 mm Prise de la chaux La chaux est obtenue par décomposition du calcaire sous l effet de la chaleur [LAFUMA, 64]. Ce processus de décomposition permet d obtenir les deux formes de chaux (aérienne et hydraulique) présentes dans les liants. La chaux aérienne Ca(OH) 2 obtenue par calcination du calcaire pur à plus de 900 C, effectue sa prise (dite «prise aérienne») par carbonatation de la chaux vive (CaO) avec le CO 2 de l air en milieu humide. En effet, la vapeur d eau et le CO 2 forment de l acide carbonique. La chaux fixe ensuite le CO 2 contenu dans cet acide pour permettre l apparition du calcaire. Cette prise démarre rapidement mais le phénomène ralentit par la suite et s étend sur plusieurs années