Soutenance mémoire
Enjeux de la construction durable
Le secteur de la construction consomme des ressources énergétiques en quantité importante. En effet, le secteur du bâtiment a consommé, en 2012, 44 % de l’énergie finale (i.e., l’énergie directement utilisable par l’utilisateur final) en France (voir figure I.1). Cette consommation est dominée par le chauffage, qui a représenté 70 % de la consommation totale en 2007 (CGDD [20]). La construction est aussi responsable d’environ un quart des émissions françaises de gaz à effet de serre. En 2012, ce secteur a été responsable de 24 % des émissions totales de dioxyde de carbone (CO2) en France ce qui en fait, au même titre que l’industrie manufacturière, la deuxième source des émissions françaises de CO2 derrière les transports (36 % des émissions de CO2 en France). La production d’énergie par combustion représente 92 % des émissions du secteur (CGDD [20]). En outre, ce secteur contribue à une consommation de quantités importantes de ressources non renouvelables : en effet, chaque année sont utilisées pour la construction plus de 500 millions de tonnes de matériaux. De plus, la production de matières premières et élaborées a augmenté de 5 % pour les granulats et de 16 % pour le béton entre 2004 et 2006 (Unicem [21]). Pour lutter contre ces impacts, le secteur du bâtiment représente un potentiel d’actions considérable. Le flux annuel de la construction (environ 350 000 nouveaux bâtiments sont construits en France par an), le volume du parc existant (on dénombre aujourd’hui en France 33 millions de logements et plus de 900 millions de m2 de bâtiments tertiaires chauffés) (Ademe [22]) et la longue durée de vie des bâtiments (50 à 100 ans, voire plus) font de cette action une priorité. Dans ce contexte, le grenelle de l’environnement propose un ensemble d’actions à mener pour réduire la dépense énergétique et les émissions de CO2 du secteur du bâtiment. Ainsi, seuls les bâtiments neufs présentant une consommation d’énergie primaire inférieure à 50 kW.m−2.an−1 sont autorisés à compter de la fin 2012. Cette consommation devra être inférieure à l’énergie renouvelable produite par le bâtiment à compter de la fin 2020. À cette même échéance, la consommation du parc existant sera réduite de 38 % par rapport à la consommation de 2009, par une rénovation de l’ensemble des bâtiments publics et des logements sociaux. Dans le but d’encourager la rénovation, les acteurs de formation professionnelle sont incités à engager des programmes pour assurer une qualification aux métiers de la rénovation et de l’efficacité énergétique des bâtiments. Le domaine de la construction doit donc innover pour répondre aux critères et exigences environnementaux, d’où l’intérêt de l’éco-construction (ou construction durable). Le principe de cette nouvelle méthode de conception est de construire des bâtiments confortables à faible coût environnemental. Pour ce faire, quatre critères essentiels sont à prendre en compte : un critère écologique qui consiste à minimiser les dépenses énergétiques ainsi que les émissions de gaz à effet de serre sur l’ensemble du cycle de vie d’une construction, tout en limitant le recours aux ressources naturelles non renouvelables ; un critère sanitaire qui vise à prévenir les risques de santé des acteurs et des usagers ; un critère lié à l’amélioration du confort (hygrothermique, visuel, acoustique ou autre) des occupants ; et enfin un critère économique portant sur l’optimisation du coût global de la construction. Dans ce contexte, le matériau de construction voit la part de sa contribution à l’impact environnemental de bâtiment augmenter. Le matériau doit donc devenir plus performant et satisfaire aux critères de l’éco-construction (Dupré [23]). Ainsi, de nouveaux matériaux dits biosourcés sont de plus en plus développés pour leur intérêt environnemental. Les bétons végétaux en sont un exemple. Les principaux intérêts de ces matériaux biosourcés sont décrits dans les paragraphes suivants.
Composites à matrice cimentaire
Les composites à matrice cimentaire regroupent l’ensemble des composites constitués par des particules végétales liées par une matrice à base de ciment. Le liant peut être uniquement du ciment ou parfois associé à des additions fines. Parmi ces composites, nous pouvons citer les exemples suivants :
• Béton de pulpe de betterave (Monreal [18], Monreal et al. [32], Mboumba-Mamboundou et al. [33]) : la pulpe de betterave est un coproduit de l’industrie de l’extraction du sucre. Ce coproduit est généralement valorisé dans l’alimentation animale à faible bénéfice. Avec l’objectif de trouver d’autres voies de valorisation, la possibilité d’élaborer un béton contenant des pulpes de betterave comme charges a été étudiée. Les résultats de cette étude ont révélé deux difficultés : l’instabilité dimensionnelle due au caractère hydrophile des pulpes de betterave et le retard de prise du liant utilisé. Pour résoudre ces problèmes, différents traitements des pulpes ont été testés. Le traitement par enrobage des pulpes avec du ciment ou de l’huile de lin permet d’élaborer un béton présentant de bonnes performances mécaniques, thermiques et hydriques.
• Béton des anas de lin (Aamr-Daya et al. [34], Khazma et al. [35], Khazma et al. [36], Khazma et al. [9], Khazma et al. [37]) : le lin est une plante à fibres annuelle, dont les fibres sont destinées à l’industrie textile et automobile. L’extraction des fibres pour ces industries génère une quantité importante de coproduits peu valorisés dont les anas de lin. Une voie de valorisation de ces coproduits est de les utiliser comme granulats dans un béton léger. Cependant, les anas de lin nécessitent un traitement de surface avant d’être incorporés dans le béton pour limiter leur pouvoir hydrophile. Plusieurs traitements ont été étudiés : enrobage avec un mélange saccharose-ciment ou huile de lin, traitement chimique avec des élastomères (PEG-co-CA par exemple) ou traitement avec un mélange pectine/polyethylenimin. Ces traitements permettent d’améliorer les propriétés mécaniques et la stabilité dimensionnelle du béton des anas de lin, mais ils induisent une légère augmentation de sa densité et de sa conductivité thermique. Le béton ainsi obtenu peut être classé dans la catégorie des bétons isolants.
• Béton de miscanthus (Acikel [38], Le Ngoc Huyen et al. [39], [40]) : le miscanthus est utilisé comme source potentielle pour la production de bioéthanol. Cette production se base sur la saccharification enzymatique de la cellulose en sucres fermentescibles. Ce processus génère des coproduits qu’il convient de valoriser. L’incorporation de ces coproduits dans une matrice cimentaire permet d’élaborer un béton léger. Cette incorporation induit un retard de prise important et une baisse des propriétés mécaniques. L’utilisation d’un accélérateur de prise permet de diminuer le temps de début de prise et le béton ainsi élaboré présente une bonne adhérence ciment/granulats et de bonnes propriétés mécaniques.
• Béton de diss (Merzoud et Habita [41], Fertikh et al. [42], Sellami et al. [43]) : le diss (Ampelodesmos mauritanicus) est une plante fibreuse autrefois utilisée dans la construction (habitations anciennes de la région méditerranéenne). Cette espèce végétale, présente à l’état sauvage en quantité importante sur le pourtour méditerranéen, n’a pas de valorisation technologique considérable. Son utilisation dans un composite cimentaire a été étudiée. Sans aucun traitement, les particules de diss présentent des substances inhibitrices (sucres, pectines,…) qui retardent le phénomène d’hydratation et, par conséquent, diminuent la cohésion du matériau. Un traitement thermique par de l’eau bouillante permet de limiter cet effet retardateur. Grâce à ce traitement, les propriétés mécaniques de béton de diss ont été améliorées.
• Béton de bois (Mougel [44], Beraldo [45], Ledhem [46], Bouguerra [47], Al Rim [48], Benmalek et al. [49], Govin [50], Coatanlem et al. [51], Bederina et al. [52], Stahl et al. [53]) : différentes essences de bois ont été explorées pour élaborer des bétons de granulats de bois : le sapin, le hêtre, le pin maritime, l’épicéa, le bambou,… Certaines de ces essences sont plus compatibles avec le ciment que d’autres. Les granulats de bois proviennent généralement de scierie et des déchets de bois. Un traitement de la surface des granulats semble nécessaire pour améliorer leur stabilité dimensionnelle et leur compatibilité avec le ciment. Pour les granulats de bois, par exemple, commercialisés par Agresta (sous le nom d’Agreslith-C), un traitement physico-chimique et thermique est réalisé. Pour augmenter les propriétés mécaniques et limiter les variations dimensionnelles des bétons de granulats de bois, certains auteurs ont modifié la matrice en y ajoutant des additions fines. Ainsi, les composites contenant des argiles ou des agrégats siliceux par exemple ont été étudiés. Grâce à ces additions, les performances du composite ainsi fabriqué ont été améliorées. Les exigences relatives aux bétons de bois préfabriqués sont fixées par les normes NF EN 15498 et NF EN 14474.
Description de la courbe contraintes/déformations
Lors de l’essai de compression simple, le béton de granulat de bois est soumis à un chargement uni-axial induisant un champ de contraintes dans le matériau. Face à ce champ de contraintes, le matériau se déforme. La relation entre le chargement (contraintes) et la réponse (déformations) définit le comportement du matériau. Pour le béton de granulats de bois étudié dans ce travail, ce comportement dépend de sa teneur en ciment. La figure III.4 présente les courbes typiques de l’essai de compression sur notre béton. Selon la limite de chargement imposée pour les cycles de charge/décharge, des déformations résiduelles peuvent être observées après la décharge. Par exemple, sur la figure III.4(c), les déformations résiduelles ne sont apparues qu’à partir du deuxième cycle. La valeur de ces déformations varie de 0,06 % pour le 2e cycle à 0,22 % pour le 4e. Le béton de granulats de bois présente un comportement mécanique complexe : au début de l’essai de compression, ce comportement est élastique linéaire quel que soit le dosage en liant. La limite de ce domaine élastique dépend, quant à elle, de la quantité de liant dans le matériau. Plus cette quantité est importante, plus le domaine d’élasticité est large. Ce résultat peut s’expliquer par le fait que le chargement est repris en grande majorité par le liant au début de l’essai (Nguyen [58]), en particulier pour les formulations avec un dosage en liant élevé. L’endommagement du liant (fissures progressives au niveau de la matrice et de l’interface granulat/liant) met fin à la phase élastique du comportement. Les déformations résiduelles observées (figure III.4(c)) suggèrent un comportement élastoplastique. Cette phase se termine par une éventuelle rupture du liant et la transmission totale du chargement aux granulats. Après la rupture, on distingue deux principaux types de comportement en fonction de la teneur en liant. Dans le cas où cette teneur en liant est élevée, on observe un pic dans la courbe contraintes/déformations (figure III.4(d)). Ce pic pourrait être dû au fait que (1) le comportement du liant est fragile et (2) la raideur des particules est plus faible en comparaison avec celle du liant (Cérézo [4]), expliquant ainsi la décroissance de la contrainte supportée par le matériau. Le pic est suivi d’un plateau correspondant à la compaction des particules rendant le matériau plus dense (fermeture des porosités intergranulaires et éventuellement intragranulaires). À l’inverse du cas d’une teneur élevée en liant, la courbe contraintes/déformations d’un béton de granulats de bois avec une faible teneur en liant ne présente pas de pic de contraintes (figure III.4(a)). Le plateau correspondant à la compaction des particules se situe généralement au niveau des contraintes maximales. Cette absence de pic pourrait provenir du fait que, à faible teneur en liant, seule une couche mince de liant entoure le granulat et ne permet pas la reprise quasi-totale du chargement par le liant. Pour certaines éprouvettes, ce plateau est suivi par une légère augmentation de la contrainte, comme on peut le voir sur la figure III.4(b).
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Table des matières
Introduction générale
I Synthèse bibliographique
I.1 Généralités sur les matériaux biosourcés
I.2 Propriétés des bétons végétaux
I.3 Limitations et freins au développement des bétons végétaux et perspectives de travail
II Matériaux et méthodes de caractérisation expérimentale et théorique
II.1 Constituants des bétons de granulats de bois
II.2 Élaboration des bétons de granulats de bois
II.3 Méthodes de caractérisation expérimentale des bétons de granulats de bois
II.4 Outils de modélisation pour l’estimation des propriétés thermiques et mécaniques
II.5 Conclusion
III Comportement mécanique des bétons de granulats de bois
III.1 Étude expérimentale du comportement mécanique des bétons de granulats de bois
III.2 Modélisation des propriétés élastiques des bétons de granulats de bois
III.3 Calibration et validation du modèle
III.4 Conclusion
IV Comportement hydromécanique des bétons de granulats de bois
IV.1 Étude expérimentale à l’échelle macroscopique
IV.2 Modélisation théorique
IV.3 Comportement local des bétons de granulats de bois sous des cycles séchage/humidification
IV.4 Conclusion
V Comportement thermique des bétons de granulats de bois
V.1 Étude expérimentale des propriétés thermiques du béton de granulats de bois
V.2 Modélisation de la conductivité thermique par la méthode d’homogénéisation autocohérente
V.3 Conclusion
Conclusion et perspectives
Bibliographie
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