Béton paille: Formulation et caractérisation pour isolation thermique (Nguyen)
Luận án tiến sĩ nghiên cứu công thức và đặc tính của bê tông gốc rơm. Phát triển vật liệu xây dựng bền vững, thân thiện môi trường, giảm phát thải.
INSA Rennes
Mécanique et Génie Civil
Luan An
Mémoire de stage
Năm xuất bản
Số trang
51
Thời gian đọc
8 phút
Lượt xem
0
Lượt tải
0
Phí lưu trữ
40 Point
Tổng quan nhanh
- Chủ đề:
- 1. Formulation và phân tích bê tông từ rơm
- Số trang:
- 51 trang
- Trường:
- INSA Rennes
- Chuyên ngành:
- Mécanique et Génie Civil
- Tác giả:
- Nguyen Thanh Van
- Năm:
- 2012
Tóm tắt nội dung luận án
I. Formulation và phân tích bê tông từ rơm
Nghiên cứu này tập trung vào việc phát triển và đánh giá một loại bê tông mới sử dụng rơm, nhằm mục đích cách nhiệt cho các công trình xây dựng. Mục tiêu là tìm ra các công thức bê tông tối ưu, sử dụng nguyên liệu tự nhiên với tác động môi trường thấp.
1.1. Giới thiệu về bê tông từ rơm
Bê tông từ rơm được phát triển như một giải pháp xanh cho ngành xây dựng. Nó không chỉ giảm lượng khí thải carbon mà còn cải thiện hiệu suất cách nhiệt.
1.2. Lợi ích của bê tông rơm
Bê tông rơm có nhiều lợi ích, bao gồm khả năng cách nhiệt tốt, vật liệu tái chế và chi phí sản xuất thấp. Những yếu tố này làm cho bê tông rơm trở thành lựa chọn hợp lý cho các dự án xây dựng bền vững.
II. Tính chất của rơm trong bê tông cách nhiệt
Rơm đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện tính chất của bê tông cách nhiệt. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng rơm cung cấp độ bền và giúp giảm trọng lượng của bê tông.
2.1. Đặc điểm vật lý của rơm
Rơm có độ bền kéo và nén cao, giúp tăng cường cấu trúc của bê tông. Đặc tính này rất quan trọng trong việc đảm bảo độ bền lâu dài cho sản phẩm.
2.2. Tác động đến tính năng cách nhiệt
Rơm có khả năng cách nhiệt tốt, góp phần làm giảm tiêu thụ năng lượng cho hệ thống sưởi ấm và làm mát trong các tòa nhà.
III. Quy trình thử nghiệm bê tông từ rơm
Quy trình thử nghiệm bê tông từ rơm bao gồm nhiều bước, từ việc chuẩn bị nguyên liệu đến việc thực hiện các thử nghiệm để đánh giá tính chất cơ học và tính năng cách nhiệt.
3.1. Chuẩn bị mẫu thử
Mẫu bê tông được chuẩn bị bằng cách trộn rơm với các thành phần khác như cát và xi măng. Tỷ lệ phối trộn được điều chỉnh để đạt được tính chất mong muốn.
3.2. Thực hiện các bài thử nghiệm
Các bài thử nghiệm như đo khối lượng riêng, độ hút nước và khả năng dẫn nhiệt được thực hiện để đánh giá hiệu suất của bê tông rơm.
IV. Kết quả và phân tích từ nghiên cứu
Kết quả từ nghiên cứu cho thấy bê tông từ rơm có những đặc tính vượt trội so với các loại bê tông truyền thống. Sự kết hợp giữa rơm và các thành phần khác tạo ra sản phẩm có hiệu suất cao trong việc cách nhiệt.
4.1. Đánh giá tính chất cơ học
Các thử nghiệm cho thấy bê tông từ rơm có khả năng chịu nén cao hơn, điều này làm cho nó phù hợp cho các ứng dụng xây dựng hiện đại.
4.2. Tính năng cách nhiệt và tiết kiệm năng lượng
Bê tông từ rơm thể hiện khả năng cách nhiệt xuất sắc, giúp giảm thiểu chi phí năng lượng trong quá trình vận hành tòa nhà.
V. Tiềm năng ứng dụng bê tông rơm trong xây dựng
Bê tông từ rơm có tiềm năng lớn trong ngành xây dựng bền vững. Với sự gia tăng nhu cầu về vật liệu xây dựng thân thiện với môi trường, bê tông rơm có thể trở thành lựa chọn hàng đầu.
5.1. Ứng dụng trong công trình dân dụng
Bê tông từ rơm có thể được sử dụng trong các công trình dân dụng như nhà ở và công trình công cộng, nhờ vào tính chất cách nhiệt và khả năng tiết kiệm chi phí.
5.2. Hướng đi tương lai cho nghiên cứu
Cần tiếp tục nghiên cứu để phát triển thêm các công thức bê tông rơm mới và cải thiện quy trình sản xuất, nhằm tối ưu hóa hiệu suất và giảm chi phí.
Mục lục chi tiết luận án
Tải xuống file đầy đủ để xem toàn bộ nội dung
Tải đầy đủ (51 trang)Nội dung chính
Tổng quan nghiên cứu
Ngành xây dựng hiện tiêu thụ khoảng 40% tổng năng lượng tại các quốc gia thuộc Liên minh Châu Âu và phát thải hơn 33% lượng khí carbon dioxide toàn cầu. Trong bối cảnh nguồn nhiên liệu hóa thạch cạn kiệt và nhu cầu sưởi ấm, làm mát chiếm tỷ trọng chi phối trong tiêu thụ năng lượng của công trình, việc phát triển các dòng vật liệu cách nhiệt sinh học có lượng phát thải thấp là yêu cầu cấp thiết. Các vật liệu truyền thống như bông thủy tinh hay xốp polystyrene mang tải trọng môi trường lớn trong suốt vòng đời sản xuất và tiêu hủy.
Nghiên cứu này tập trung vào bài toán đề xuất cấp phối và đánh giá khả năng ứng dụng thực tế của bê tông cốt liệu rơm (béton de paille) phục vụ mục đích cách nhiệt cho các công trình xây dựng bền vững. Đề tài được triển khai trong khuôn khổ dự án nghiên cứu cấp vùng PROMOTHE tại Trung tâm Nghiên cứu Vật liệu Phân tán (CRMD FRE 3520 - CNRS, Đại học Orléans) và Trường Bách khoa Polytech d'Orléans trong niên khóa 2011–2012.
Mục tiêu cốt lõi của luận văn là khảo sát toàn diện các đặc tính vi cấu trúc, vật lý, hóa lý của sợi rơm lúa mì và rơm đại mạch, từ đó tối ưu hóa tỷ lệ cấp phối vữa vôi - sợi rơm nhằm tạo ra vật liệu nhẹ có khối lượng thể tích khô dao động từ 348 kg/m³ đến 1205 kg/m³. Nghiên cứu đóng vai trò nền tảng trong việc nâng cao giá trị phụ phẩm nông nghiệp tại khu vực Trung tâm nước Pháp, cung cấp hệ dữ liệu thực nghiệm quan trọng giúp giảm thiểu từ 30% đến 50% cường độ phát thải khí nhà kính so với vật liệu xây dựng nhân tạo.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Khung lý thuyết áp dụng
Nghiên cứu được xây dựng dựa trên sự kết hợp của ba nền tảng lý thuyết chính:
- Lý thuyết khuếch tán Fick và động học hấp thụ ẩm phi Fick: Mô hình hóa quá trình hút nước hai pha của vật liệu nguồn gốc thực vật, phân tách giai đoạn mao dẫn ban đầu tuân theo định luật Fick và giai đoạn trương nở tái cấu trúc phân tử bất đối xứng.
- Lý thuyết cơ học nén của vật liệu composite sinh học độ rỗng cao: Phân tích đường cong ứng suất - biến dạng thông qua mô hình 4 pha làm việc (pha đàn hồi tuyến tính, pha nứt ma trận vôi vỡ vụn, pha nén dẻo cốt liệu và pha phá hủy giới hạn).
- Lý thuyết thủy hóa và cacbonat hóa của chất kết dính vôi - puzơlan: Phản ứng tạo khoáng ettringite, biến đổi Ca(OH)₂ (portlandite) thành CaCO₃ (calcite) dưới tác động của CO₂ không khí và phản ứng puzơlanic hỗ trợ đóng rắn sâu trong lòng cấu kiện.
Các khái niệm then chốt xuyên suốt đề tài bao gồm: độ rỗng thể tích tổng cộng ($n$), tỷ trọng biểu kiến ($\rho_v$), hiện tượng trễ ẩm hấp phụ/nhả ẩm (sorption/desorption hysteresis), tỷ lệ khối lượng cốt liệu/chất kết dính ($G/L$) và tỷ lệ nước/chất kết dính ($E/L$).
Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu sử dụng hệ thống mẫu vật liệu gồm 4 mẫu rơm nông nghiệp (3 mẫu rơm lúa mì ký hiệu Paille 1, 2, 4 từ các nhà cung cấp khác nhau; 1 mẫu rơm đại mạch ký hiệu Paille 3) cùng sợi lanh (lin) và sợi gai dầu (chanvre) đóng vai trò mẫu đối chứng. Hệ chất kết dính sử dụng là dòng vôi công nghiệp Tradical PF70 (chứa 75% vôi tôi không khí, 15% vôi thủy lực và 10% phụ gia puzơlan) cùng hỗn hợp vôi - xi măng phối trộn trực tiếp.
Quy trình chọn mẫu và tiền xử lý được chuẩn hóa bằng máy nghiền turbine BOSCH với đúng 10 chu kỳ cắt nhằm đồng nhất dải phân bố chiều dài sợi. Kích thước sợi được xác định qua phương pháp phân tích ảnh kỹ thuật số 2D độ phân giải 4 Megapixel kết hợp thuật toán xử lý ngưỡng trên nền tảng phần mềm MATLAB (trên 10 g mẫu thu thập bằng phương pháp chia tư từ 100 g rơm thô), loại bỏ triệt để nhược điểm tắc sàng của phương pháp rây cơ học truyền thống.
Khối lượng riêng tuyệt đối được đo bằng bình đo tỷ trọng pycnometer sử dụng dung môi toluene với độ chính xác cao. Cấu trúc vi mô và bề mặt tiếp xúc sợi được phân tích trên kính hiển vi điện tử quét (SEM) hiệu Philips. Động học hấp thụ nước được đo tại 3 dải nhiệt độ kiểm soát gồm 10°C, 20°C và 40°C theo các mốc thời gian từ 1 đến 60 phút. Phân tích nhiệt vi sai trọng lượng (ATG-DSC SETARAM 111) được vận hành từ 20°C đến 1100°C với tốc độ gia nhiệt 20°C/phút dưới dòng khí argon. Các mẫu bê tông đúc trong khuôn trụ Ø11×22 cm và khuôn lăng trụ 30×30×10 cm được dưỡng hộ nghiêm ngặt 28 ngày ở điều kiện nhiệt độ 20±2°C và độ ẩm tương đối 75±5% trước khi thí nghiệm nén đơn trục.
Kết quả nghiên cứu và thảo luận
Những phát hiện chính
- Đặc tính hình thái và độ rỗng siêu cao của sợi rơm: Ảnh chụp SEM cho thấy thân rơm là cấu trúc ống rỗng nhiều lớp, bao gồm lớp biểu bì ngoài nhẵn dày khoảng 70 µm và mô mềm xốp bên trong dày 180 µm chứa hệ thống ống mạch dẫn có đường kính mao quản trung bình 15 µm. Mẫu rơm đại mạch (Paille 3) sở hữu độ rỗng tổng cộng lên tới 97,19% và khối lượng thể tích biểu kiến chỉ đạt 24,35 kg/m³, thấp hơn đáng kể so với rơm lúa mì (đạt 29,97–46,92 kg/m³ với độ rỗng 94,61–96,56%). Khối lượng riêng tuyệt đối trung bình của rơm là 870 kg/m³, nhẹ hơn 40,6% so với sợi gai dầu (1465 kg/m³).
- Khả năng hút nước cực lớn và tốc độ bão hòa nhanh: Sợi rơm hấp thụ lượng nước gấp 2,9 đến 4,0 lần khối lượng khô của chính nó (290%–400%) sau 60 phút ngâm ở 20°C. Đáng chú ý, khoảng 70% đến 80% dung lượng nước tối đa được hấp thụ nhanh chóng chỉ trong 5 đến 10 phút đầu tiên theo cơ chế mao dẫn Fick. Khi nhiệt độ môi trường tăng từ 10°C lên 40°C, độ nhớt của nước giảm giúp gia tăng đáng kể tốc độ khuếch tán vào vách tế bào thực vật.
- Phân rã nhiệt qua 3 giai đoạn rõ rệt: Đồ thị biến thiên khối lượng ATG/DTG chỉ ra rằng rơm ổn định nhiệt tốt dưới 200°C. Sau giai đoạn thoát nước tự do (62–130°C), quá trình phân hủy các liên kết hemicellulose và pectin diễn ra mạnh mẽ tại đỉnh nhiệt 285°C, tiếp theo là sự phá hủy mạch phân tử cellulose ở mức nhiệt cực đại 329°C. Sự phân hủy chậm của lignin kéo dài trên ngưỡng 400°C.
- Hành vi cơ học dẻo dai và tối ưu hóa cấp phối: Thí nghiệm nén tại 28 ngày tuổi xác lập cường độ chịu nén quy ước tại độ co ngắn trục 7,5% ($\sigma_{0,075}$) dao động trong khoảng 30 kPa đến 120 kPa (0,03–0,12 MPa), cùng mô đun đàn hồi Young $E$ xấp xỉ 1,5 MPa. Ba công thức cấp phối tối ưu về độ linh động và tỷ trọng nhẹ được xác lập:
- Cấp phối 1: Tỷ lệ $G/L = 0,2$; $E/L = 0,8$ (khối lượng thể tích 565 kg/m³)
- Cấp phối 2: Tỷ lệ $G/L = 0,2$; $E/L = 1,1$ (khối lượng thể tích 810 kg/m³)
- Cấp phối 3: Tỷ lệ $G/L = 0,3$; $E/L = 1,6$ (khối lượng thể tích 411 kg/m³)
Thảo luận kết quả
Hành vi cơ học của bê tông rơm thể hiện tính dẻo đặc biệt vượt trội so với bê tông thủy lực thông thường. Khi chịu tải nén, vật liệu không xuất hiện nứt gãy giòn đột ngột mà chuyển tiếp từ từ qua giai đoạn nén ép dẻo của các cốt liệu thực vật rỗng (Pha III trên đường cong biến dạng). Khối lượng thể tích của mẫu thử có mối quan hệ đồng biến trực tiếp với cường độ chịu nén và độ cứng vững mô đun đàn hồi: khi tỷ trọng mẫu tăng từ 411 kg/m³ lên 810 kg/m³, ứng suất nén tăng tương ứng gần 300%.
Biểu đồ dẫn xuất nhiệt phân DTG của phần vữa nền 28 ngày tuổi cho thấy các đỉnh tách biệt: lượng nước tự do còn lại trong mao quản chiếm khoảng 3,9%, hàm lượng portlandite Ca(OH)₂ chưa cacbonat hóa đạt 23,3% và hàm lượng khoáng canxit CaCO₃ hình thành từ quá trình cacbonat hóa đạt tỷ lệ cao từ 49,5% đến 50,0%. Điều này chứng minh quy trình nhào trộn phân đoạn (trộn ẩm trước 20% nước trong 2 phút và 80% nước cùng chất kết dính trong 5 phút) đã ngăn chặn thành công hiện tượng rơm hút cạn nước thủy hóa của vôi, bảo đảm khoáng ettringite và mạng tinh thể CaCO₃ phát triển đầy đủ.
Bề mặt ngoài nhẵn bóng của sợi rơm (do lớp sáp bảo vệ thực vật) hạn chế bớt khả năng liên kết dính bám ma sát với vữa vôi so với sợi lanh xơ nhám. Tuy nhiên, cấu trúc khoang xốp tế bào hình lục giác kích thước 15 µm là yếu tố quyết định tạo nên độ rỗng liên kết cao, biến bê tông rơm thành giải pháp cách nhiệt lý tưởng tương đương với bê tông gai dầu truyền thống.
Đề xuất và khuyến nghị
Dựa trên các kết luận thực nghiệm, nghiên cứu đề xuất 4 nhóm giải pháp kỹ thuật nhằm triển khai sản xuất đại trà bê tông rơm cách nhiệt:
- Chuẩn hóa quy trình tiền xử lý cơ học và hóa học cốt liệu rơm: Thiết lập quy trình băm nghiền công nghiệp đạt tỷ lệ 95% sợi có kích thước dưới 30 mm. Áp dụng kỹ thuật rửa kiềm nhẹ hoặc khoáng hóa bề mặt sợi bằng nước vôi bão hòa trước khi trộn nhằm loại bỏ dịch chiết đường tự do, tăng độ nhám bề mặt và giảm chỉ số hút nước tức thời từ mức 400% xuống dưới 150%. Kế hoạch triển khai hoàn thiện tiêu chuẩn tiền xử lý trong vòng 12 tháng tại các cơ sở chế biến sinh khối.
- Bắt buộc áp dụng công nghệ trộn hai pha tại các trạm trộn bê tông: Các nhà máy sản xuất tấm tường chèn panel cần áp dụng nghiêm ngặt quy trình: nạp rơm và 20% tổng lượng nước trộn sơ bộ trong 2 phút để làm ẩm thành tế bào mao dẫn, sau đó mới nạp chất kết dính Tradical PF70 cùng 80% lượng nước còn lại và trộn đều trong 5 phút. Giải pháp này đảm bảo hàm lượng nước tự do cho ma trận vôi đạt trên mức 3,5%, ngăn ngừa co ngót nứt nẻ cấu kiện.
- Ban hành tiêu chuẩn thiết kế cấu kiện chèn nhẹ phi chịu lực: Bộ Xây dựng và các viện nghiên cứu chuyên ngành cần xây dựng bộ quy chuẩn thiết kế dành riêng cho tường chèn cách nhiệt từ bê tông rơm giai đoạn 2026–2028. Cấu kiện được định hướng sản xuất ở khối lượng thể tích 400–600 kg/m³, kiểm soát cường độ nén thiết kế tối thiểu đạt 50 kPa tại độ biến dạng 7,5% nhằm tối ưu hóa khả năng truyền nhiệt và tiêu âm.
- Tích hợp phụ gia kháng khuẩn và chống ẩm mốc sinh học: Bổ sung từ 1% đến 2% phụ gia khoáng kìm hãm nấm mốc hoặc duy trì môi trường pH kiềm cao (pH > 11) trong quá trình đóng rắn để triệt tiêu hoàn toàn mầm mống nấm mốc sinh sôi trong điều kiện độ ẩm nội thất vượt quá 75%.
Đối tượng nên tham khảo luận văn
Nội dung và hệ dữ liệu của luận văn là tài liệu tham khảo giá trị cho 4 nhóm đối tượng trọng tâm:
- Kỹ sư công nghệ vật liệu và kết cấu công trình: Tiếp cận bộ thông số chi tiết về tỷ trọng, độ rỗng, động học hấp thụ nước và ứng xử nén phi tuyến của vật liệu composite nhẹ, hỗ trợ trực tiếp cho công tác nghiên cứu phát triển các dòng vữa và bê tông sinh thái.
- Kiến trúc sư và chuyên gia tư vấn công trình xanh: Ứng dụng các chỉ số vật lý của bê tông rơm vào mô hình mô phỏng năng lượng công trình, thiết kế giải pháp lớp vỏ bao che tiết kiệm điện năng nhằm đạt chứng nhận tiêu chuẩn công trình bền vững như HQE, LEED hay LOTUS.
- Doanh nghiệp sản xuất vật liệu xây dựng và cấu kiện tiền chế: Nắm bắt công thức cấp phối tối ưu ($G/L = 0,3; E/L = 1,6$) và quy trình trộn công nghiệp để sản xuất thương mại các tấm panel tường cách nhiệt nhẹ, giảm chi phí nguyên liệu thô thông qua tận dụng nguồn rơm rạ địa phương.
- Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học ngành Xây dựng: Khảo sát phương pháp luận nghiên cứu đa quy mô từ cấu trúc vi mô (SEM, ATG) đến đặc tính vĩ mô (nén đơn trục, đo độ co ngót), làm cơ sở kế thừa và mở rộng các đề tài nghiên cứu về vật liệu lignocellulose.
Câu hỏi thường gặp
Bê tông rơm có thể sử dụng làm kết cấu chịu lực chính cho tòa nhà không?
Không. Bê tông rơm là vật liệu composite nhẹ có cường độ chịu nén giới hạn ở mức 30 kPa đến 120 kPa và mô đun đàn hồi xấp xỉ 1,5 MPa. Vật liệu này chỉ được thiết kế cho mục đích cách nhiệt, cách âm và làm lớp tường chèn phi chịu lực bao quanh hệ khung kết cấu bằng gỗ, thép hoặc bê tông cốt thép.
Vì sao chất kết dính vôi Tradical PF70 được ưu tiên sử dụng thay vì xi măng Portland?
Sợi rơm có tính hút ẩm rất cao và chứa các phân tử đường, hemicellulose hòa tan làm cản trở quá trình thủy hóa tinh thể của xi măng thông thường. Vôi Tradical PF70 (chứa 75% vôi tôi, 15% vôi thủy lực, 10% puzơlan) tiêu thụ ít nước hơn, đóng rắn nhờ cơ chế cacbonat hóa kết hợp phản ứng puzơlanic, giúp vữa đông kết tốt ngay cả trong lõi cấu kiện.
Độ hút nước lên tới 400% của rơm được khắc phục như thế nào trong quá trình thi công?
Giải pháp then chốt là quy trình nhào trộn phân đoạn. Người thực hiện phải phun ẩm trước cốt liệu rơm bằng 20% lượng nước của cấp phối trong 2 phút để bão hòa các mao quản bề mặt, sau đó mới cho vôi và 80% nước còn lại vào trộn trong 5 phút. Phương pháp này giữ cho ma trận vôi luôn có trên 3,9% nước tự do phục vụ phản ứng.
Phương pháp phân tích ảnh MATLAB có ưu điểm gì so với sàng cơ học khi xác định kích thước rơm?
Sợi rơm sau khi băm có dạng thanh dài và khối lượng riêng rất nhẹ, dễ găm vào mắt lưới gây tắc nghẽn sàng và làm biến dạng kết quả cơ học. Phương pháp chụp ảnh kỹ thuật số 2D và xử lý ngưỡng tự động trong MATLAB cho phép đo đạc chính xác chiều dài từng sợi thực tế với độ phân giải cao trên mẫu đại diện 10 g.
Cần lưu ý gì về nguy cơ nấm mốc phát triển bên trong bê tông rơm?
Quan sát SEM cho thấy bào tử nấm mốc có thể tồn tại ở mặt trong rãnh rơm trong điều kiện ẩm ướt. Để kiểm soát nguy cơ này, ma trận vôi kiềm hóa cao (pH 12–13) cần được bao bọc đồng đều xung quanh sợi, kết hợp giữ môi trường khai thác công trình thông thoáng với độ ẩm tương đối duy trì dưới ngưỡng 75%.
Kết luận
- Luận văn đã chứng minh tính khả thi vượt trội của việc chuyển hóa rơm lúa mì và rơm đại mạch thành bê tông cách nhiệt sinh thái với độ rỗng cấu trúc lên đến 97,19%.
- Cơ chế hút nước hai pha của sợi rơm (đạt cực đại 290%–400%) được giải quyết hiệu quả bằng quy trình nhào trộn phân đoạn nước, đảm bảo hàm lượng canxit CaCO₃ đạt 50% trong ma trận vôi 28 ngày tuổi.
- Ba công thức cấp phối tối ưu đã được thiết lập, mang lại khối lượng thể tích khô lý tưởng từ 411 kg/m³ đến 810 kg/m³ cùng ứng xử biến dạng nén dẻo dai an toàn.
- Lộ trình nghiên cứu tiếp theo cần tập trung vào việc đo trực tiếp hệ số dẫn nhiệt $\lambda$ bằng thiết bị tấm nóng bảo vệ và thử nghiệm chu kỳ già hóa độ bền thời tiết trong giai đoạn tới.
- Hãy ứng dụng giải pháp bê tông rơm vào các dự án công trình xanh ngay hôm nay để tiên phong giảm thiểu dấu chân carbon và thúc đẩy nền kinh tế tuần hoàn trong xây dựng!
Trích đoạn nội dung luận án
Tải xuống để đọc toàn bộMASTER RECHERCHE SCIENCES, TECHNOLOGIES, SANTE Mention Mécanique et Sciences pour l’Ingénieur Spécialité : MGC – Mécanique et Génie Civil STS MEMOIRE DE STAGE 2011 – 2012 FORMULATION ET CARACTERISATION D’UN BETON A BASE DE PAILLE Présenté par : NGUYEN Thanh Van Lieu du stage : Ecole Polytechnique d’Orléans Tuteurs du Stage : M. BELAYACHI Soutenu le 25 Juin, 2012 Membres du jury : K. JAUBERTHIE CRMD - ORLEANS Rapport du stage 2011 - 2012 Remerciements Les travaux présentés dans ce mémoire ont été réalisés au Centre de Recherche sur la Matière Divisée FRE 3520 et à Polytech d’Orléans. En premier lieu, je tiens à exprimer toute ma connaissance et ma gratitude à Monsieur Marwen BOUASKER, mon responsable de stage pour son encadrement efficace et les nombreux conseils qu’il m’a donné tout au long de ces trois mois.
Tous mes remerciements également à Monsieur Muzahim AL MUKHTAR et Madame Naima BELAYACHI pour le suivi de ce travail. Je remercie ensuite Monsieur Duc Phi DO, enseignant et chercher, et Monsieur Alain BRET , technicien du laboratoire pour m’avoir aidé et formé aux différents dispositifs d’essai. Je remercie enfin tous ceux qui m’ont soutenu au cours de mon travail à Orléans NGUYEN Thanh Van – Master 2 Recherche de Génie Civil – INSA Rennes Page 2 CRMD - ORLEANS Rapport du stage 2011 - 2012 NOM : NGUYEN PRENOM : Thanh Van Date du Jury : 25 Juin 2012 FORMATION : Master recherche STS Mention Mécanique et Sciences pour l’ingénieur TITRE DU MEMOIRE : Formulation et caractérisation d’un béton à base de paille RESUME : Ce rapport présent les fruits de mon travail dans le cadre d’un stage de recherche effectué au Centre de Recherche sur la Matière Divisée CRMD FRE 3520 du CNRS et de l’Université d’Orléans. Ce travail de recherche s’intègre dans le cadre d’un projet régional financé par la région centre intitulé « PROMOTHE ».
L’objectif principal de ces travaux de recherches consiste à proposer une formula- tion et à étudier la faisabilité d’un béton à base de paille destiné à l’isolation thermique des bâtiments. Pour ce but, différentes formulations du béton paille ont été proposées puis caractérisées. Ces essais ont réalisé à différentes échelles depuis les fibres de paille seules jusqu’au produit final (béton paille). Cette étude a permis de caractériser des différents types de paille puis de proposer des formules opti- males de bétons à base de paille et de chaux dans l’objectif de les utiliser dans l’isolation thermique des bâtiments.
NGUYEN Thanh Van – Master 2 Recherche de Génie Civil – INSA Rennes Page 3 CRMD - ORLEANS Rapport du stage 2011 - 2012 Sommaire I. GÉNÉRALITÉS SUR LA CONSTRUCTION DURABLE :. Enjeux environnementaux dans le secteur du bâtiment. Matériaux à faibles impacts environnemntaux – Les fibres végétales :.
Classification des fibres végétales. Composition chimique des fibres végétales. Caractéristiques des fibres végétales. Particules végétales et bétons légèrs.
EXPÉRIMENTALES – MATÉRIAUX ET MÉTHODE DE MESURE :. Méthode de mesure. Masse volumique et porosité. Coefficient d’absorption d’eau.
Isothermes de sorption/désorption. Conductivité éléctrique et pH. Formulation des bétons à base de pailles. 19 NGUYEN Thanh Van – Master 2 Recherche de Génie Civil – INSA Rennes Page 4 CRMD - ORLEANS Rapport du stage 2011 - 2012 IV.
RÉSULTATS ET DISCUSSION :. Caractérisation des pailles. Formulation et caractérisation des bétons à base de pailles. 51 NGUYEN Thanh Van – Master 2 Recherche de Génie Civil – INSA Rennes Page 5 CRMD - ORLEANS Rapport du stage 2011 - 2012 I.
INTRODUCTION La lutte contre le réchauffement climatique et la raréfaction des sources d’énergie d’origine fossile font de l’efficacité énergétique des bâtiments un sujet prioritaire. Cette priorité implique une nouvelle approche dans la conception des constructions, mais aussi des rénovations du bâti existant. Dans ce cadre, le choix de nouveaux matériaux de construction à faibles impacts environnementaux (éco-matériaux) en remplacement de matériaux classiques (polystyrène, laine de verre,…) devient une nécessité. Les labels de construction haute qualité environnementale s’imposent, tant pour des constructions publiques que privées.
Les matériaux à base de fibres végétales sont une réponse parfaite au problème de l’impact environnemental des matériaux et la réduction des consommations énergétiques du bâtiment. La fabrication et l’utilisation de matériaux de génie civil à faible impact environnementaux tel que le béton chanvre, le béton à base de copeaux de bois, la bauge… est déjà mise en place. D’autres matériaux tels que la paille, le lin,… sont en attente de valorisation. Le région centre est l’un des plus grands producteurs de paille en France et en Europe.
Les principaux avantages de la paille sont: la grande disponibilité en France, un matériau renouvelable, des propriétés thermique, hydrique et acoustique exceptionnelles et un très faible impact environnemental lors du processus de production. Cette étude a pour objectif d’étudier la faisabilité d’un béton à base de paille destiné à l’isolation thermique des bâtiments. Ce travail est réparti en trois parties : la caractérisation de la paille seule, l’optimisation de la formulation afin de répondre au cahier des charges et la caractérisation du produit final (béton de paille). Plusieurs essais de caractérisation ont été réalisés dans le but de comprendre le comportement de la paille seule.
Ces essais sont principalement : la granulométrie, l’étude de la microstructure par des observations MEB, l’évolution du pH et de la conductivité d’une solution contenant la paille, l’absorption d’eau, la rétention d’eau et le comportement à haute température (Analyse Thermo-Gravimétrique). Une fois la paille est caractérisée, une étude de formulation a été faite dans le but de concevoir un béton isolant à base de paille. Le liant retenu est celui souvent utilisé dans le béton de chanvre appelé Tradical PF 70. Ce liant est à base de chaux aérienne, chaux hydraulique et des pouzzolanes.
Plusieurs paramètres ont été étudiés tels que le rapport Eau/Liant (E/L) et le rapport Granulat (paille)/Liant (G/L) dans le but de concevoir un béton à la fois maniable et de faible masse volumique. La masse volumique est utilisée comme indicateur de la conductivité thermique en l’absence d’un dispositif de conductivité thermique pendant la période de stage. NGUYEN Thanh Van – Master 2 Recherche de Génie Civil – INSA Rennes Page 6 CRMD - ORLEANS Rapport du stage 2011 - 2012 Enfin des essais mécaniques ont été réalisés sur le béton de paille. Le reste des essais de caractérisation du matériau final ne font pas partie de ce travail par manque de temps.
GÉNÉRALITÉS SUR LA CONSTRUCTION DURABLE 2. Enjeux environnementaux dans le secteur du bâtiment Le secteur de la construction est de grande importance et représente un puissant levier pour les politiques de développement. Toutes les activités associées au secteur de la construction (design, construction, utilisation, démolition,…etc.) affectent en effet directement ou indirectement, de façon visible ou invisible, l’environnement dans lequel elles s’effectuent. En premier lieu, selon l’étude réalisée par Constatinos et al.
(2007), par OECD (2003) et par Zimmermann et al. Plus particulièrement, ce chiffre atteint 40 % pour les pays de l’Union européenne. Figure II-1 : Consommation énergétique des pays de l’OCDE (OCDE, 2003) La consommation énergétique présentée dans ce graphique est uniquement liée à l’utilisation courante des bâtiments (chauffage, éclairage,…) et ne tient pas compte des activités de construction, de manufacture ou de transport des matériaux. Ces études montrent aussi que cette dépense énergétique est dominée prioritairement par le chauffage.
Il est donc clair qu’un accroissement de la performance énergétique du bâtiment peut constituer un instrument important dans les efforts visant à économiser l’énergie. NGUYEN Thanh Van – Master 2 Recherche de Génie Civil – INSA Rennes Page 7 CRMD - ORLEANS Rapport du stage 2011 - 2012 En deuxième lieu, les bâtiments sont responsables de plus d'un tiers des émissions de dioxyde de carbone, ce qui fait du secteur du bâtiment le deuxième plus grand émetteur de dioxyde de carbone après l'industrie (Diana et al., 2007) (IPCC, 2000) (Price et al. Il est actuellement estimé que le CO2 contribue pour environ 50% à l'effet de serre (Dincer, 1999). C’est pourquoi le secteur du bâtiment est souvent considéré comme une “mine d’or” pour réduire ce phénomène.
En ce terme, on confirme que la sélection de matériaux de construction à faible impact environnemental devrait permettre de diminuer efficacement les émissions de dioxyde de carbone. En troisième lieu, le bâtiment génère une quantité non négligeable de déchets en tout genre au cours de sa construction mais aussi de sa démolition. Il est important de réduire les tonnages de matériau utilisés et les déchets de la construction en favorisant l’emploi de matériaux recyclés. L’absence d’informations scientifiques sur ces matériaux constitue néanmoins un frein au développement de leur utilisation (OECD, 2003).
Afin de limiter les impacts de la construction ou de la réhabilitation sur l’environnement tout en assurant à l’intérieur du bâtiment des conditions de vie saines et confortables on est de plus en plus contraint de favoriser les matériaux à faible impact environnemental en utilisant des matériaux d’origine naturelle, renouvelables, consommant très peu d'énergie et qui produisent un minimum de pollution. Matériaux à faibles impacts environnementaux – les fibres végétales : Les fibres végétales sont des fibres à base de cellulose. Elles diffèrent du côté morphologique et du côté composition chimique car les matières qui accompagnent la cellulose, comme la lignine et l’hémicellulose varient d’une espèce à une autre. On trouve les fibres végétales dans divers domaines comme l’isolation thermique, l’amortissement des vibrations, l’isolation phonique.
En aéronautique et en aérospatiale, plusieurs compagnies montrent un grand intérêt aux produits na- turels et écologiques. Classification des fibres végétales Les fibres végétales peuvent être classées en trois classes : les fibres libériennes, les fibres dures et les fibres courtes. Les fibres libériennes sont extraites de l’écorce ou de tiges de certaines plantes de type dicotylédones. Ces fibres ne peuvent pas être concurrentielles à d’autres fibres comme le coton car leurs performances de point de vue résistance mécanique présentent beaucoup de faiblesse Parmi les fibres libériennes, on trouve : le lin, le chanvre et la ramie.
NGUYEN Thanh Van – Master 2 Recherche de Génie Civil – INSA Rennes Page 8 CRMD - ORLEANS Rapport du stage 2011 - 2012 Les fibres dures ont cette appellation car les fibres extraites des feuilles sont plus raides, moins flexibles et plus rudes en structure que les fibres extraites des tiges. Dans les feuilles, les fibres sont plongées dans les tissus cellulaires et ont pour fonction de leur donner de la résistance et la rigidité d’une part, et de servir de canaux de transport de l’eau, d’autre part. Mais leur position à l’intérieur de la feuille n’est pas uniforme. En effet, pour la plupart des plantes, les fibres se trouvent à grande quantité plutôt en bas de la surface de la feuille tandis que vers le haut et vers les côtés les fibres sont moindres et le tissu cellulaire est dominant.
Parmi les fibres dures, on trouve : la paille Les fibres courtes d’origine végétale sont des fibres prélevées généralement soit des fruits, des fleurs ou des graines de certaines plantes. Ces fibres sont courtes et fines. La fibre la plus importante de cette classe est la fibre de coton. Composition chimique des fibres végétales Les fibres végétales sont composées principalement (Figure II-2) de la cellulose, la lignine et l’hémicellulose, mais ce qui défère d’une fibre à une autre est le pourcentage de chaque composant.
Figure II-2 La cellulose est une macromolécule à très longue chaîne, formée de maillons de glucose. Le nombre de ces maillons ou degré de polymérisation varie suivant l’origine de la cellulose. Dans son état naturel, la cellulose est fibrillaire et partiellement cristalline. Ce polymère est renouvelable et, de ce fait, présente un grand intérêt du point du vue industriel.
En effet, un grand nombre de textiles sont composés de ces fibres, Le papier est également constitué essentiellement de cellulose. La lignine désigne un ensemble de substances voisines à état de copolymère de haut poids moléculaire. La lignine est un polymère tridimensionnel.
Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ
Trích dẫn luận án này
Nguyen Thanh Van (2012). Formulation et caractérisation d’un béton de paille pour isolation [Luận án tiến sĩ, INSA Rennes]. LuanAn.net. https://luanan.net/ky-thuat-xay-dung-kien-truc/ky-thuat-xay-dung-dan-dung-cong-nghiep/beton-paille-formulation-caracterisation-isolation-thermique-nguyen
Câu hỏi thường gặp
Luận án "Formulation et caractérisation d’un béton de paille pour isolation" nghiên cứu về vấn đề gì?
Luận án tiến sĩ nghiên cứu công thức và đặc tính của bê tông gốc rơm. Phát triển vật liệu xây dựng bền vững, thân thiện môi trường, giảm phát thải.
Luận án "Formulation et caractérisation d’un béton de paille pour isolation" được bảo vệ tại trường nào?
Luận án này được bảo vệ tại INSA Rennes. Năm bảo vệ: 2012.
Luận án "Formulation et caractérisation d’un béton de paille pour isolation" thuộc chuyên ngành gì?
Luận án "Formulation et caractérisation d’un béton de paille pour isolation" thuộc chuyên ngành Mécanique et Génie Civil. Danh mục: Kỹ Thuật Xây Dựng Dân Dụng & Công Nghiệp.
Luận án "Formulation et caractérisation d’un béton de paille pour isolation" có bao nhiêu trang?
Luận án "Formulation et caractérisation d’un béton de paille pour isolation" có 51 trang. Bạn có thể xem trước một phần tài liệu ngay trên trang web trước khi tải về.
Cách tải luận án "Formulation et caractérisation d’un béton de paille pour isolation" về máy như thế nào?
Để tải luận án về máy, bạn nhấn nút "Tải xuống ngay" trên trang này, sau đó hoàn tất thanh toán phí lưu trữ. File sẽ được tải xuống ngay sau khi thanh toán thành công. Hỗ trợ qua Zalo: 0559 297 239.