Béton paille: Formulation et caractérisation pour isolation thermique (Nguyen)

MASTER 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.