Les matériaux bio-sourcés dans la construction De la connaissance des matériaux à leur application in situ

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1 Les matériaux bio-sourcés dans la construction De la connaissance des matériaux à leur application in situ Cerema Est Jeudi 1 er juin 2017 Déroulé de la matinale Introduction du Directeur, présentation des groupes «Bâtiment» et «Acoustique» 1. Les biosourcés : quels matériaux, quelles spécificités? [Philippe GLÉ] [Clément PIÉGAY] 2. Le comportement des biosourcés vis-à-vis de l humidité : intérêt et problématiques de durabilité Le béton de chanvre, un matériau hygroscopique à fort potentiel [Etienne GOURLAY] Quels impacts de l humidité sur les performances? [Philippe GLÉ] 3. Application des biosourcésin situ : enjeux et suivi des performances Suivi des performances d un bâtiment après réhabilitation à l aide de matériaux biosourcés, l exemple de la Maison du Tourisme de Troyes [Etienne GOURLAY] Quelles utilisations des matériaux isolants biosourcés pour la rénovation énergétique du bâti ancien? [Elodie HÉBERLÉ] 1

2 Propriétés multiphysiques des bétons végétaux Cerema Est Philippe Le 9 décembre GLÉ, 2016 Etienne 50 ans GOURLAY, du laboratoire Thierry de Strasbourg FALWISANNER Plan de la présentation Contexte et enjeux des biosourcés Définition des grandeurs étudiées Comportement multiphysique Leviers d action identifiés Travaux en cours et perspectives 4 2

3 Plan de la présentation Contexte et enjeux des biosourcés Définition des grandeurs étudiées Comportement multiphysique Leviers d action identifiés Travaux en cours et perspectives 5 Vers de nouveaux matériaux d impact écologique limité! Un certain nombre de performances fonctionnelles de haut niveau attendues Mécanique, Feu, Thermique, Acoustique, Des enjeux environnementaux ciblés Réduction des émissions de CO2 Réduction de l énergie grise des matériaux Des mesures qui se mettent en place Grenelle de l Environnement (2007) Loi de la Transition Energétique pour la Croissance Verte (2015) Article 14 VI : «stockage de carbone atmosphérique [ ] préservation des ressources naturelles» Article 144 : «performance environnementale des produits [ ] caractère biosourcé» 6 3

4 Les «biosourcés», des matériaux alternatifs Une matière première d origine végétale*, deux familles de sous-produits Granulaires Chènevotte Béton de chanvre Plante Tige Fibreux Cas du chanvre * végétale ou animale Fibres Laine végétale 7 Applications des biosourcés ECRANS BATIMENT Ossature bois AUTOMOBILE, AERONAUTIQUE, Murs paille Murs béton de chanvre Ecrans bois Ecrans béton de bois 8 4

5 Des particules aux bétons végétaux Une matière première d origine végétale Bois Chanvre Lin Colza Tournesol Mais aussi: Bambou, Myscanthus, Typha, Paille, Différents modes de tenue Chaux/ciment Terre Extractibles Tissage Vrac 9 Des spécificités multiples Pores interparticules Pores intraparticules Microstructure Approche multi-échelle Formes des granulats Anisotropie matériau L l e 1 cm 5 mm 1 mm Granulométrie étendue Distribution taille pores étendue 10 5

6 Généralités sur les bétons végétaux (Données pour le béton de chanvre) Un matériau multifonctionnel Matériau léger : ρ sec 400 kg/m 3 Ductilité mécanique importante : ε > 10% Isolation thermique élevée : λ sec 0,08 W/m.K Forte absorption acoustique : α > 0,8 et respectueux de l environnement 1 m 2 de mur de 30 cm d épaisseur stocke plus de 35 kg de CO 2 sur une période de 100 ans (ACV) Filières courtes 11 Les bétons végétaux, quel état des connaissances Champ des problématiques de la culture à la fin de vie des matériaux Fin de vie Semis Croissance Récolte Défibrage Formulation Finition Service Un paramètre omniprésent: la variabilité (dans la matière, dans le temps) 12 6

7 Plan de la présentation Contexte et enjeux sur les biosourcés Définition des grandeurs étudiées Comportement multiphysique Leviers d action identifiés Travaux en cours et perspectives 13 Grandeurs - Acoustique Isolation acoustique Correction acoustique But : Réduire les Récepteur But : Assurer la nuisances sonores qualité acoustique liées à des sources p t d un local situées à l extérieur Source (réverbération, Source p p i intelligibilité, p r i effets géométrique) Récepteur Moyens : Moyens : Grandeur: Indice d affaiblissement TL Grandeur: Absorption acoustique α 14 7

8 Grandeurs - Mécanique σ max : résistance à la compression E : module d Young ε σmax : déformation à la rupture [Gourlay 2014] 15 Grandeurs - Hygrothermique Grandeurs thermiques Conductivité thermique: λ Diffusivité thermique: a Capacité thermique massique: c Transferts hydriques Adsorption/Désorption de vapeur d eau Résistance à la diffusion de vapeur d eau: µ Valeur tampon hydrique: MBV 16 8

9 Plan de la présentation Contexte et enjeux des biosourcés Définition des grandeurs étudiées Comportement multiphysique Leviers d action identifiés Travaux en cours et perspectives 17 Caractérisation Comportement acoustique Mise en évidence de leviers d action Modélisation Un effet dominant des pores interparticules Une modélisation validée sur de nombreux cas Optimisation Des possibilités très nombreuses pour optimiser la réponse acoustique des bétons végétaux 18 9

10 Comportement mécanique [Gourlay 2014] Performances σ max : 0,05 à 4 MPa E : 1 à 250 MPa ε σmax : 3 à 30% Utilisations Matériau non porteur Comportement très ductile 19 Comportement hygrothermique Performances (MUR 30cm) Résistance thermique R th >3,5 Amortissement > 95% Déphasage ~ 12h µ ~ 10 MBV ~ 2 g.m -2.%HR Intérêts Confort hygrothermique Amortissement des variations de température extérieure 20 10

11 Plan de la présentation Contexte et enjeux des biosourcés Définition des grandeurs étudiées Comportement multiphysique Leviers d action identifiés Travaux en cours et perspectives 21 Effets des constituants: Origine et granulométrie de chènevotte Acoustique Thermique α augmente avec les petites particules TL ne dépend pas de la granulo pour une chènevotte donnée La chènevotte de granulométrie médiane est optimale 22 11

12 Effets de la mise en œuvre: Concentration en liant Acoustique Thermique [Cerezo 2005] Passage de (α important, TL faible) à (α faible, TL important) Conductivité thermique croît avec la concentration en liant 23 Plan de la présentation Contexte et enjeux des biosourcés Définition des grandeurs étudiées Comportement multiphysique Leviers d action identifiés Travaux en cours et perspectives 24 12

13 Travaux en cours et perspectives Expérimentation en laboratoire Caractérisation des laines végétales et de ``nouveaux matériaux biosourcés (terre-chanvre, panneaux de particules) Alimentation d une base de données (acoustique) Instrumentation de bâtiments Suivi du comportement hygrothermique des enveloppes Corrélation des approches labo et in situ Modélisation Couplage acoustique/thermique dans une approche globale Intégration de la durabilité des matériaux biosourcés 25 Les matériaux bio-sourcés dans la construction De la connaissance des matériaux à leur application in situ Cerema Est Jeudi 1 er juin

14 Les laines végétales, de la microstructure aux performances Cerema Est Clément Le 9 décembre PIEGAY ans du laboratoire de Strasbourg Plan de la présentation o Contexte général et état de l art o Caractérisation expérimentale des laines végétales o Modélisation des propriétés acoustiques et thermiques o Distributions des rayons fibres et caractérisation par mesures acoustiques o Conclusions et perspectives 28 14

15 L apport des matériaux biosourcés Rénovation énergétique du parc bâti Gestion raisonnée des ressources naturelles Diminution des risques sanitaires environnementaux [Asdrubali 2012] [Glé 2013] thèse de doctorat Matériaux biosourcés Filière verte ayant un potentiel de développement économique élevé pour l avenir (CGDD) Matériaux renouvelables Stockage CO 2 Propriétés multifonctionnelles attendues compte tenu de leur structure poreuse et fibreuse [Glé 2013] et [Kymäläinen & Sjöberg 2007] [Cavac-biomatériaux] 29 Applications pratiques Mise en œuvre des matériaux Correction acoustique 0 < α <1 Isolation thermique λ TL Isolation et/ou correction acoustique et isolation thermique 30 15

16 Verrous scientifiques à lever [Glé 2013] thèse de doctorat Compression Ignifugation Corrélations entre phénomènes acoustique et thermique? Prise en compte des spécificités des fibres végétales? Influence de la compression des laines? Effets liés au traitement au feu? 31 Les laines végétales Matériaux poreux appartenant à la famille des fibreux d origine naturelle Plantes Fibres Laines Récolte Rouissage possible Transformation / défibrage Thermoliage (ajout de fibres polymères) Ou Aiguilletage 32 16

17 Spécificités des laines végétales Variabilité morphologique [Olesen & Plackett 1999], [Placet et al. 2012] o Nature des fibres o Fibres simples o Agglomérats de fibres Variabilité dimensionnelle [Glé 2013], [Ramseh 2016] o Rayons de fibres simples [3 30] µm o Rayons avec agglomérats [3 300] µm Double porosité [Glé 2013] Contribution de la porosité intrafibre < 0,5% de la porosité totale 33 Plan de la présentation o Contexte général et état de l art o Caractérisation expérimentale des laines végétales o Modélisation des propriétés acoustiques et thermiques o Distributions des rayons fibres et caractérisation par mesures acoustiques o Conclusions et perspectives 34 17

18 Dispositifs expérimentaux 1/2 Porosité Résistance au passage à l air Porosimètre Cerema Strasbourg Mesure de la porosité [Leclaire et al. 2003] Pycnomètre à azote LEHNA ENTPE Mesure de la porosité Porosimètre LGCB ENTPE Mesure de la porosité [Beranek 1942], [Champoux et al. 1991] Résistivimètre Cerema Strasbourg Mesure selon la norme EN (ISO 9053) Résistivimètre LGCB ENTPE Mesure selon la norme EN (ISO 9053) 35 Dispositifs expérimentaux 2/2 Propriétés acoustiques Conductivité thermique Morphologie des fibres Tubes de Kundt Akustik Foschung AcoustiTube AFD Cerema Strasbourg Mesure du coefficient d absorption acoustique selon la norme ISO Tube de Kundt B&K type Grand tube de Kundt - LGCB ENTPE Conductivimètre Hot Disk Cerema Strasbourg Conductivimètre à fil chaud - ENTPE Microscope Electronique à balayage FEI Quanta 400 Ifsttar Marne-la-Vallée Tortuosité Tortuosimètre Cerema Strasbourg Mesure de la tortuosité 36 18

19 0.9 Performances des laines végétales Performances acoustiques des laines de lin et de chanvre Courbes caractéristiques absorption acoustique pour les échantillons de diametre 100mm Coefficient absorption fréquence lin chanvre lin aiguilleté lin brun chanvre vert Chanvre (e=100mm) Lin brun (e=45mm) Performances thermiques des laines de lin et de chanvre Type de matériaux λ (W.m -1.K- 1 ) Ecart type (W.m -1.K- 1 ) Densité (kg.m- 3 ) Lin 0,040 0, Chanvre 0,044 0, Lin aiguilleté 0,111 0, Chanvre aiguilleté 0,065 0, Lin brun 0,045 0, Chanvre vert 0,047 0, Plan de la présentation o Contexte général et état de l art o Caractérisation expérimentale des laines végétales o Modélisation des propriétés acoustiques et thermiques o Distributions des rayons fibres et caractérisation par mesures acoustiques o Conclusions et perspectives 38 19

20 Corrélation entre phénomènes acoustiques et thermiques Existence de Modèles acoustiques pour les matériaux poreux et pour les matériaux fibreux conventionnels Modèle thermique Pas spécifiquement élaborés pour la microstructure des matériaux fibreux d origine naturelle è =( ) + Modèles s appuyant sur une méthode d homogénéisation [Hashin 1968], [Boutin 1996], [Cerezo 2005] modèle HAC (Homogénéisation Auto-Cohérent) [Tarnow 1996a], [Tarnow 1996b], [Tarnow 1997] développé à partir de la géométrie des fibres = = !,#! $%!,&'& Validation des modèles Validation du modèle acoustique de Tarnow Laine de chanvre Laine de lin brun Validation des modèles thermiques parallèle et HAC 40 20

21 Optimisation des performances acoustiques Association des modèles de Tarnow et composite appliqué au cas d un couplage entre fibres végétales et polymères 41 Plan de la présentation o Contexte général et état de l art o Caractérisation expérimentale des laines végétales o Modélisation des propriétés acoustiques et thermiques o Distributions des rayons fibres et caractérisation par mesures acoustiques o Conclusions et perspectives 42 21

22 Distribution des rayons de fibres Distribution des Rf pour le lin brun (à gauche), le chanvre (à droite) Inversion des modèles afin de déterminer les rayons des fibres Type de laine végétale ()*+%%+,+- (./) ()*+%%+ 0 (./) Moyenne Rf (µm) Rf (µm) Tarnow Lin brun 14,6 12,2 13,2 12,9 ± 0,2 Chanvre 27,9 13,7 22,1 26,3 ± 0,5 43 Application pratique Caractérisation et contrôle par mesures acoustiques LABORATOIRE Caractérisation acoustique simple des matériaux MODELES Détermination des paramètres microscopiques caractéristiques des matériaux FABRICANT Performances thermiques des matériaux Contrôle qualité Intérêt du lien entre les paramètres microscopiques et les propriétés macroscopiques des laines végétales 44 22

23 Conclusions et perspectives o o o Confirmation des performances des laines végétales vis-à-vis des laines minérales Validation de la modélisation des propriétés acoustiques et thermiques des laines végétales à partir de 4 paramètres Possibilité d inverser les modèles et d optimiser les performances acoustiques des laines végétales Collaboration avec des industriels (CAVAC et Eco-Technilin) en vue d optimiser les performances des matériaux et le contrôle dans le process de fabrication Projet de produit démonstrateur 45 Les matériaux bio-sourcés dans la construction De la connaissance des matériaux à leur application in situ Cerema Est Jeudi 1 er juin