Impact environnemental du secteur de la construction

Impact environnemental du secteur de la construction 

De nombreux scientifiques s’accordent à dire que les émissions de gaz à effet de serre (GES) générées par les activités humaines sont responsables du réchauffement climatique constaté depuis plusieurs décennies par les climatologues du GIEC . La quantité de CO2 rejetée dans l’atmosphère à l’échelle mondiale est en perpétuelle augmentation depuis la Révolution industrielle entraînant une augmentation considérable des émissions anthropiques (Figure 1-1). Ces émissions sont majoritairement dues à l’utilisation de combustibles fossiles (charbon, pétrole, gaz naturel) mais également à la décarbonatation du calcaire pour la fabrication du ciment ou encore à la déforestation [3]. En France, le secteur du bâtiment est responsable d’environ 25% des émissions de GES totales pour le fonctionnement du parc résidentiel et tertiaire. Il fait figure de mauvais élève en ce qui concerne les consommations d’énergie finale avec une part de 43% loin devant le  des transports (31%) et de l’industrie manufacturière (20%) [4]. Les émissions de CO2 générées par le bâtiment proviennent en partie de la combustion et de la transformation d’énergie fossile (chauffage, électricité spécifique, eau chaude sanitaire, cuisson). Toutefois, l’évaluation de l’impact environnemental du bâtiment ne devrait pas seulement prendre en compte sa période de fonctionnement mais également sa phase de construction ou encore sa réhabilitation et sa destruction [5]. Les matériaux de construction utilisés vont notamment jouer un rôle important tant sur la consommation d’énergie durant l’utilisation du bâtiment (par leurs performances thermiques) que sur les émissions de CO2 (grâce à l’impact carbone des matières premières utilisées pour leur fabrication).

En France, la législation qui encadre la consommation énergétique dans le secteur du bâtiment est la Réglementation Thermique (RT). La première a été introduite en 1974 suite au premier choc pétrolier dans l’objectif de limiter les déperditions  thermiques importantes dans les bâtiments d’habitation. Le niveau d’exigence de cette réglementation est de plus en plus élevé et le travail mené sur l’orientation énergétique de la France durant ces dernières années s’est traduit par les lois du Grenelle de l’environnement I et II (2009 – 2010). Elles visent notamment à diminuer de 38% la consommation énergétique du parc résidentiel et tertiaire existant d’ici à 2020 et à diviser par 4 les émissions de GES d’ici à 2050 [6]. Près de la moitié du parc bâti a été construit avant 1970 c’est-à-dire sans aucun dispositif d’isolation thermique et le flux de constructions neuves est très faible. L’effort de réduction des consommations énergétiques par la rénovation du parc existant est donc primordial. La loi Grenelle a prévu une réhabilitation thermique de 400 000 logements par an à partir de 2013 [4]. La réglementation thermique RT2012 qui est actuellement en vigueur s’applique aux bâtiments neufs des secteurs résidentiel et tertiaire. Elle impose une consommation énergétique inférieure à 50 kWh/m2 /an (valeur moyenne du label BBC2 ) [6] alors que la consommation moyenne dans le résidentiel existant est actuellement de 330 kWh/m²/an [4]. Cet écart considérable montre bien que le seul traitement des bâtiments neufs ne permettra pas d’atteindre les objectifs fixés par la loi Grenelle. La RT2012 porte essentiellement sur l’évolution technologique de la conception des bâtiments neufs dans l’objectif de réduire les émissions de GES et de diminuer les consommations liées au chauffage et à la climatisation. L’accent est mis sur l’étanchéité à l’air et le confort d’été [6]. L’évolution des exigences réglementaires prend le chemin des bâtiments neufs à énergie positive à l’horizon 2020.

L’impact environnemental des matériaux de construction n’est pas pris en compte par les législations européenne et française car les mesures prises portent essentiellement sur la période de fonctionnement des bâtiments. Ce constat est tout à fait regrettable car la réduction progressive des consommations énergétiques liées à la conception des bâtiments implique que la part des matériaux de construction dans l’impact environnemental global soit de plus en plus importante [4]. En effet, les constructions étant de mieux en mieux isolées, la répartition des impacts carbone entre le chauffage et les matériaux de construction est en mutation constante. Ainsi, la part relative des matériaux de construction passe de 15% à 75% lorsque la consommation de chauffage passe de 200 kWh/m²/an à 15 kWh/m²/an (correspondant à la consommation énergétique visée par la RT2012) pour un bâtiment d’une durée de vie égale à 50 ans (Figure 1-2). Le développement de matériaux de construction alternatifs à faible impact environnemental est donc une priorité pour réduire les émissions de GES sur l’ensemble du cycle de vie des bâtiments [4].

Vers l’utilisation des écomatériaux

Qu’il s’agisse de la rénovation thermique des bâtiments ou de constructions neuves, une grande vigilance s’impose vis-à-vis du choix des isolants et des matériaux de construction utilisés d’une façon générale.

L’approche ACV (Analyse de Cycle de Vie) permet d’analyser l’impact environnemental d’un matériau de construction sur l’ensemble de sa durée de vie. Elle prend en compte l’énergie nécessaire à l’extraction des matières premières et à leur transformation, le transport des matériaux, la gestion de fin de vie et l’épuisement des ressources [7]. Ces critères définissent la qualité environnementale d’un matériau (Figure 1-3) et ont tendance à être négligés. Pourtant, l’énergie grise (ou énergie incorporée) des matériaux de construction représente près de la moitié de la consommation énergétique globale d’un bâtiment ayant une consommation de 80 kWh/m²/an [7].

Le terme « écomatériau » est de plus en plus employé mais n’est pas toujours approprié. Certains matériaux de construction comme le béton cellulaire ou la brique monomur sont parfois qualifiés de matériaux de construction « verts » en raison de leur pouvoir d’isolation supérieur aux blocs bétons conventionnels. Il s’agit pourtant de matériaux fabriqués suivant un mode industriel et une énergie incorporée particulièrement élevée [8]. C’est notamment le cas de la brique de terre cuite, qui certes est caractérisée par de bonnes performances thermiques mais qui est particulièrement énergivore lors de sa fabrication comme cela est clairement démontré par l’ACV réalisée par Boutin et al. [9] sur différents matériaux de construction (Figure 1-4). D’après cette étude, l’impact CO2 de la brique monomur et du béton cellulaire est plus élevé que celui d’un système associant blocs béton et laine minérale, qui n’est pourtant pas un exemple à suivre en matière environnementale. En effet, les laines minérales (verre, roche) et isolants synthétiques, qui représentent 98% du marché des matériaux d’isolation, sont des matériaux performants sur le plan thermique mais puisent l’essentiel de leurs matières premières dans des ressources non renouvelables. La laine de verre demande une forte dépense énergétique pour la fusion du verre et le polystyrène est issu de ressources hydrocarbures non renouvelables [8].

Idéalement, les écomatériaux sont élaborés à partir de ressources renouvelables et si possible locales. Ils permettent, grâce à leurs propriétés physiques, de garantir le confort thermique intérieur tout en consommant le moins d’énergie possible (réduction des besoins en chauffage et climatisation) [4]. Il ne s’agit en aucun cas de s’affranchir de l’utilisation du béton ordinaire qui reste bien évidemment indispensable pour bon nombre d’applications, notamment lorsqu’il est nécessaire de garantir des performances mécaniques élevées pour la structure porteuse. Néanmoins, les matériaux à isolation répartie (tels que la brique de terre cuite ou le béton cellulaire) et les isolants d’origine minérale (laines de verre) ou pétrolière (polystyrène) largement utilisés pour l’enveloppe du bâtiment pourraient avantageusement être remplacés par des écomatériaux à faible impact environnemental garantissant des performances hygrothermiques équivalentes voire supérieures [4]. L’établissement de liens étroits entre l’industrie du bâtiment et l’agriculture dans l’objectif de développer des écomatériaux de construction à base de ressources végétales locales est donc tout à fait pertinent pour répondre en particulier aux besoins de rénovation énergétique du bâti.

Les ressources lignocellulosiques 

Valorisation dans les matériaux de construction 

De nombreuses matières lignocellulosiques ont été utilisées pour être incorporées à des liants minéraux. Cependant, il est important de faire une distinction entre les fibres végétales utilisées comme renforts mécaniques de composites cimentaires et les granulats végétaux plutôt valorisés pour la confection de bétons bio-sourcés légers à vocation isolante, nommés « agrobétons ». Nozahic [10] définit ces matériaux comme l’association de granulats issus de végétaux lignocellulosiques provenant de l’agriculture, majoritaires en volume, avec un liant minéral. Un mélange qui inclurait des granulats lignocellulosiques en très faible volume ou des fibres végétales de renfort n’entre donc pas dans la définition. Les fibres et les granulats d’origine végétale proviennent de cultures lignocellulosiques différentes. Une grande majorité d’entre eux provient de la tige ou de la paille. On parle de paille pour les plantes céréalières graminées (la paille de riz, par exemple). Certains résidus lignocellulosiques sont également issus de feuilles ou de plantes herbacées .

La tige végétale est toujours structurée de façon similaire en zones concentriques de l’extérieur vers l’intérieur : l’épiderme et l’écorce externe, le liber ou phloème secondaire dans lequel se trouve les fibres corticales, le xylème qui est la partie boisée lignifiée, la moelle et enfin le lumen (âme creuse) [6], [12] (Figure 1-6a). Les fibres végétales (libériennes) proviennent de la partie périphérique de la tige (chanvre, lin, juste, ramie, kénaf, etc.) [4]. La désolidarisation de la partie ligneuse de la fibre libérienne s’effectue par différentes opérations mécaniques. Le broyage de la tige une fois les fibres corticales séparées permet d’obtenir un granulat végétal dont la structure microscopique est très alvéolaire. Cette dernière est liée à celle du xylème ligneux constitué d’importants capillaires longitudinaux qui assurent le transport de la sève dans les plantes vasculaires. Le xylème est constitué de fibres aux parois très épaisses qui jouent un rôle de support structural, de cellules parenchymateuses et surtout d’éléments trachéiformes, les vaisseaux et les trachéides. Ces tubes continus sont généralement parsemés de ponctuations et leur diamètre peut varier de 10 μm à 500 μm .

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Table des matières

INTRODUCTION GÉNÉRALE
CHAPITRE 1 ANALYSE BIBLIOGRAPHIQUE
I. CONTEXTE ENVIRONNEMENTAL
I. 1. IMPACT ENVIRONNEMENTAL DU SECTEUR DE LA CONSTRUCTION
I. 2. VERS L’UTILISATION DES ECOMATERIAUX
II. LES RESSOURCES LIGNOCELLULOSIQUES
II. 1. VALORISATION DANS LES MATERIAUX DE CONSTRUCTION
II. 1. 1. Fibres végétales
II. 1. 2. Granulats végétaux
II. 2. ORGANISATION STRUCTURALE À L’ÉCHELLE CELLULAIRE
III. MATIERES PREMIERES DU BETON DE CHANVRE
III. 1. LE CHANVRE
III. 2. LA CHÈNEVOTTE
III. 2. 1. Microstructure
III. 2. 2. Masses volumiques et porosités
III. 2. 3. Capacité d’absorption en eau
III. 2. 4. Sensibilité à la vapeur d’eau
III. 2. 5. Conductivité thermique
III. 2. 6. Granulométrie
III. 2. 7. Composition chimique
III. 3. LES LIANTS MINÉRAUX
III. 3. 1. Le ciment Portland
III. 3. 2. Les chaux de construction
III. 3. 3. Choix d’un liant pour les agrobétons
IV. LE BETON DE CHANVRE ET SES PROPRIETES
IV. 1. FORMULATION ET MISE EN ŒUVRE
IV. 2. PROPRIETES HYGROTHERMIQUES
IV. 2. 1. Conductivité thermique
IV. 2. 2. Valeur tampon hydrique (MBV : Moisture buffer value)
IV. 3. PROPRIETES MECANIQUES
IV. 3. 1. Comportement mécanique
IV. 3. 1. Influence de la teneur en liant
IV. 3. 2. Influence de la nature du liant
IV. 3. 3. Influence de l’intensité du compactage initial
IV. 3. 4. Influence des conditions de cure
IV. 3. 5. Influence de la taille des granulats
IV. 3. 6. Age du béton
IV. 3. 7. Pathologies liées aux interactions liant/végétal
V. UNE RESSOURCE INNOVANTE : LA BALLE DE RIZ
V. 1. LA BALLE DE RIZ
V. 1. 1. Gisement et applications
V. 1. 2. Caractéristiques
V. 2. VALORISATION SANS CALCINATION DANS DES MATRICES CIMENTAIRES
VI. CONCLUSION ET DEMARCHE DU TRAVAIL DE THESE
CHAPITRE 2 MATÉRIAUX ET MÉTHODES
I. MATERIAUX
I. 1. GRANULATS VEGETAUX
I. 2. LIANT A BASE DE CHAUX
II. FORMULATION ET MISE EN ŒUVRE
II. 1. AGROBETONS
II. 1. 1. Dosages
II. 1. 2. Mise en œuvre
II. 2. MORTIERS DE CHAUX
III. CONDITIONS DE CURE
III. 1. CONSERVATION NATURELLE
III. 2. CARBONATATION ACCELEREE
III. 3. CURE EN HUMIDITE SATUREE ET A TEMPERATURE ELEVEE
IV. METHODES DE CARACTERISATION
IV. 1. PARTICULES VEGETALES
IV. 1. 1. Granulométrie par analyse d’image
IV. 1. 2. Microscopie électronique à balayage (MEB)
IV. 1. 3. Porosimétrie par intrusion de mercure (PIM)
IV. 1. 4. Coefficient d’absorption d’eau des granulats végétaux
IV. 1. 5. Spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (IRTF)
IV. 2. AGROBETONS
IV. 2. 1. Estimation des porosités dans les agrobétons
IV. 2. 2. Mesure de la conductivité thermique au fil chaud
IV. 2. 3. Essais de résistance en compression
IV. 2. 4. Analyse thermogravimétrique (ATG)
IV. 3. MORTIERS A BASE DE CHAUX
IV. 3. 1. Caractérisation mécanique
IV. 3. 2. Caractérisation du durcissement
CHAPITRE 3 DE LA CARACTÉRISATION DES PARTICULES VÉGÉTALES À LA FORMULATION DES AGROBÉTONS
PRÉAMBULE
ARTICLE A
I. INTRODUCTION
II. MATERIALS AND METHODS
II. 1. RAW MATERIALS
II. 1. 1. Natural particles
II. 1. 2. Mineral binder
II. 2. EXPERIMENTAL PROCEDURES
II. 2. 1. Characterization of the natural particles
II. 2. 2. Concrete design
II. 2. 3. Macroscopic properties of concrete materials
III. RESULTS AND DISCUSSION
III. 1. CHARACTERIZATION OF THE VEGETABLE PARTICLES
III. 1. 1. Physical and morphological properties
III. 1. 2. Sensitivity of particles to water
III. 1. 3. Chemical analysis
III. 2. DESIGN, WEIGHT MONITORING AND POROSITY OF CONCRETE SPECIMENS
III. 2. 1. Mix proportions
III. 2. 2. Weight monitoring during hydric stabilization
III. 2. 3. Porosity estimation of concrete mixtures
III. 3. THERMAL PROPERTIES
III. 4. MECHANICAL PROPERTIES
III. 5. MATRIX ANALYSIS BY MEANS OF TGA
IV. CONCLUSION
BILAN DU CHAPITRE
CONCLUSION GÉNÉRALE

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