Soutenance mémoire
Préambule : contexte général de l’étude
Réglementation thermique
La Réglementation Thermique (RT) est entrée en vigueur suite à l’engagement de la France à réduire les émissions de gaz à effet de serre, notamment dans les bâtiments, conformément aux accords de Rio et de Kyoto. La plus récente réglementation thermique RT 2012 (succédant aux RT 2000 et RT 2005) intègre tout particulièrement les bâtiments résidentiels et tertiaires neufs. L’objectif à long terme, précisé dans le Plan Bâtiment lancé pour mettre en œuvre le Grenelle de l’environnement (loi du 3 août 2009), est de réduire jusqu’à 38% la consommation d’énergie et de 50% les émissions de gaz à effet de serre dans une construction neuve d’ici 2020. On vise également à l’horizon 2020 des bâtiments neufs à énergie positive, c’est-à-dire produisant davantage d’énergie (électricité, chaleur) qu’ils en consomment pour son fonctionnement. A court terme, l’objectif est de généraliser les bâtiments à basse consommation.
La réglementation thermique classe les exigences à respecter en deux catégories : des exigences de résultats et des exigences de moyens.
En ce qui concerne les exigences de résultats, comme premier changement, la RT 2012 pose une nouvelle exigence de consommation maximale d’énergie (coefficient Cmax) portant sur le chauffage, la ventilation, la climatisation, la production d’eau chaude sanitaire et l’éclairage. La valeur de Cmax s’élève à 50 kWhEP/m²/an, exprimée en énergie primaire. L’utilisation de Cmax remplace la comparaison au bâtiment de référence (Cref) dans la RT 2005. Cette consommation est modulée selon la localisation géographique, l’altitude, le type d’usage du bâtiment, la surface moyenne des logements et le volume d’émission de gaz à effet de serre des énergies utilisées. D’après l’INSEE (www.insee.fr), la consommation moyenne annuelle des bâtiments en France métropolitaine en 2008 est de l’ordre de 272 kWhEP/m²/an.
Le second changement des exigences de résultats apporté par la RT 2012 consiste à introduire l’exigence d’efficacité énergétique minimale du bâti, appelée besoin bioclimatique conventionnel, représenté par le coefficient Bbio. Ce coefficient remplace le coefficient moyen de déperditions par les parois et liaisons du bâtiment Ubât défini dans la RT 2005. L’exigence du besoin bioclimatique Bbio intervient dans les phases initiales de conception : renforcement de l’isolation, conception bioclimatique, minimisation des échanges thermiques avec l’extérieur grâce à une forme de bâtiment adaptée, utilisation des apports naturels (orientation cardinale et l’inclinaison du toit, exposition solaire, éclairage naturel, rapport au vent). Elle a pour but de limiter simultanément les besoins en énergies de chauffage, de refroidissement et d’éclairage artificiel.
Isolation thermique dans le bâtiment
Sur le plan technique, les solutions et les produits technologiques sont favorisés, tant pour diminuer la consommation d’énergie que pour réduire la déperdition d’énergie dans les bâtiments. La déperdition d’énergie provient essentiellement de la chaleur traversant l’enveloppe du bâtiment (énergie consommée pour le chauffage). Notons que le chauffage occupe jusqu’à 70% de la consommation d’énergie des usages en résidentiel (Ministère de l’Écologie, du Développement durable et de l’Énergie, chiffre de 2008). La déperdition d’énergie se manifeste à plusieurs endroits du bâtiment : mur, toit, sol, fenêtre, plancher… L’origine est la mauvaise isolation avec l’extérieur. Dans le bâtiment, les murs qui représentent de 16% à 25% des déperditions de chaleur sont souvent traités par l’isolation intérieure ou extérieure. Les déperditions thermiques sont limitées en recouvrant les éléments de maçonnerie du bâtiment d’une ou plusieurs couches d’isolant. L’isolation thermique par l’extérieur est beaucoup développée dans les pays du nord de l’Europe. Elle est considérée comme la plus efficace parce qu’elle permet d’éliminer presque tous les « ponts thermiques ». L’isolation par l’intérieur, très répandue en France, est souvent accompagnée d’une isolation des combles pour traiter les déperditions par la toiture. Les ponts thermiques représentent de 10 à 40% de la perte totale de chaleur d’un bâtiment (www.cstb.fr). La majorité des immeubles en France ayant une isolation thermique par l’intérieur, le traitement des ponts thermiques devient nécessaire pour améliorer la performance thermique des bâtiments. Une des solutions est d’utiliser des rupteurs thermiques au niveau du raccordement entre le voile de façade et la dalle. La jonction classique est remplacée par un élément constitué de matières isolantes. Selon Lafarge (www.ductallafarge.fr), cette solution permet de réduire jusqu’à 70% la déperdition de l’énergie au niveau des ponts thermiques. Une autre solution technique qui permet à la fois de traiter les déperditions au niveau des murs et des ponts thermiques est l’isolation répartie. Le principe de l’isolation répartie consiste à conserver le bénéfice des dispositifs de chauffage le plus longtemps possible grâce à la performance de l’inertie thermique de l’air. Elle repose principalement sur une maçonnerie en béton cellulaire ou en brique isolante de terre cuite dotée d’un réseau d’alvéoles. Les propriétés isolantes de ces matériaux reposent sur une forte présence d’air. Le matériau, ayant en même temps la fonction porteuse et la fonction isolante, permet de construire un mur extérieur à « isolation répartie ». La déperdition au niveau du pont thermique reste basse en raison de la capacité isolante du mur.
L’intérêt de l’isolation répartie conduit à imaginer des éléments structurels des bâtiments au niveau du mur et en même temps au niveau du plancher. Cela exige un matériau ayant une bonne performance mécanique avec des propriétés d’isolation thermique améliorées.
Béton léger dans la construction
La première utilisation du béton léger est connue avant J.C. dans les constructions de l’Empire Roman en méditerranée. Mais ce n’est qu’en 1928 que le béton léger fut commercialisé. Les Etats Unis sont le premier pays qui l’a fabriqué industriellement et utilisé pour l’usage structurel pendant les années 1940. Le béton de structure de granulat léger est mis en œuvre dans plusieurs types de construction comme les bâtiments résidentiels, les ossatures d’immeubles, les tabliers de ponts, les constructions offshores … [ACI04]. Le béton léger est défini par sa masse volumique inférieure ou égale à 2000 kg/m3 (Eurocode 2 – 1992). Comparé au béton ordinaire de densité normale, qui a une masse volumique entre 2200 et 2600 kg/m3 , la masse volumique du béton léger est diminuée par la substitution d’une certaine partie solide du matériau par des poches d’air que nous appellerons vides. Nous distinguons 3 types de béton léger suivant la localisation de ces vides :
• Béton de granulats légers : les vides se trouvent au sein des granulats. Les bétons de granulats légers sont fabriqués comme les bétons courants, mais avec des granulats légers à la place du granulat ordinaire. Les granulats légers sont de différentes natures : schiste expansé, argile expansée, laitiers expansés, pierre ponce, perlite ou vermiculite. Parmi ces granulats, les quatre premiers peuvent être utilisés pour fabriquer le béton de structure.
• Béton cellulaire : les vides se trouvent dans la liant. Les bétons cellulaires ne contiennent que du ciment, de l’eau et du sable. Des bulles d’air sont créées à l’intérieur de la pâte, soit par gâchage avec de la poudre d’aluminium, soit par gâchage avec de l’eau savonneuse. En général, les bétons cellulaires ont une résistance en compression faible (2 à 8 MPa), mais leurs avantages résident dans la masse volumique plus faible (500 à 1000 kg/m3) et des propriétés d’isolation thermique supérieures (conductivité thermique de 0,1 à 0,2 W/mK) à celles des autres bétons.
• Béton caverneux : les vides se situent entre les gros granulats par suppression des granulats fins. Les bétons caverneux sont fabriqués comme les bétons ordinaires mais sans le sable. Il existe donc de gros vides au sein de la matrice de mortier qui sont responsables de sa faible résistance. On l’utilise principalement dans la confection de murs porteurs de bâtiments domestiques et dans les panneaux de remplissage de cadres de structure
L’utilisation du béton de granulats légers en structure peut être bénéfique au niveau du coût d’un projet et de la fonctionnalité de la structure ou de l’ouvrage [ACI03]. Même si le coût par mètre cube d’une structure de béton de granulats légers est souvent plus élevé que celui en béton ordinaire, le coût total d’un projet utilisant le béton léger est souvent réduit grâce aux avantages liés au béton de granulats légers par rapport du béton ordinaire :
• La réduction de la charge transmise à la fondation mène à la réduction des dimensions de la fondation et des têtes de pieux, ainsi qu’à la diminution du nombre de pieux et du renforcement.
• La réduction du chargement statique mène à la réduction des dimensions des structures portantes.
• La réduction du chargement statique réduit la force d’inertie sismique.
• Pour le béton précontraint préfabriqué, le béton de granulats légers permet de fabriquer des structures plus longues et plus larges sans augmenter la masse totale.
• L’épaisseur de la structure résistante au feu peut être diminuée grâce à l’isolation thermique du béton de granulats légers, ce qui mène à la réduction du volume de béton.
• La diminution du volume de béton conduit à une réduction du coût de transport.
L’utilisation du béton de granulats légers permet également de construire sur un sol de faible capacité portante, grâce à la réduction de la masse totale de l’ouvrage [CAR86] ainsi qu’à une augmentation de la productivité grâce à la réduction de la masse totale de matériaux à manipuler [NEV00].
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Table des matières
Introduction générale
Chapitre I : Etude bibliographique
1. Préambule : contexte général de l’étude
1.1. Réglementation thermique
1.2. Isolation thermique dans le bâtiment
1.3. Béton léger dans la construction
2. Phénomènes de transfert de chaleur
2.1. Modes de transfert de chaleur
2.2. Transfert thermique dans un milieu poreux
2.3. Mesure des propriétés thermiques
3. Propriétés des granulats légers
3.1. Classification
3.2. Composition chimique des granulats légers
3.3. Structure poreuse des granulats légers et capacité d’absorption d’eau
4. Généralité sur les propriétés hydro-thermiques des bétons
4.1. Sensibilité des matériaux à l’humidité
4.2. Influence de la porosité et de la teneur en eau
4.3. Influence de la température
5. Propriétés thermiques des bétons de granulats légers
5.1. Influence de la composition de la matrice cimentaire
5.2. Influence de la nature des granulats
5.3. Influence des additions minérales
5.4. Influence de la fraction volumique des granulats légers
6. Propriétés mécaniques des bétons de granulats légers
6.1. Influence des caractéristiques des granulats
6.2. Influence du rapport E/C et l’absorption d’eau des granulats
6.3. Influence du dosage en ciment
6.4. Influence des additions minérales
6.5. Influence de la fraction volumique des granulats légers
6.6. Paramètres affectant le module d’élasticité
7. Conclusion
Chapitre II : Méthodologie expérimentale et caractérisation des granulats et bétons légers
1. Caractéristiques des matériaux utilisés
1.1. Ciment
1.2. Fumée de silice
1.3. Adjuvant
1.4. Granulats
1.4.1. Composition chimique et minéralogique
1.4.2. Granulométrie
1.4.3. Masse volumique
1.4.4. Absorption d’eau et porosité accessible à l’eau
2. Préparation des échantillons de bétons
2.1. Méthodologie expérimentale
2.2. Formulations des bétons
2.3. Procédure de fabrication
2.4. Propriétés du béton frais
3. Essais sur les bétons de granulats légers
3.1. Propriétés physiques du béton durci
3.2. Mesure des propriétés mécaniques
3.2.1. Résistance en compression
3.2.2. Module d’élasticité dynamique par mesure de la vitesse de propagation des ultrasons
3.3. Mesure des propriétés thermiques
3.3.1. Démarche et conditionnement
3.3.2. Sensibilité à l’humidité
3.3.3. Propriétés thermiques mesurées dans l’enceinte climatique
3.3.4. Propriétés thermiques mesurées dans le four du Hot Disk
3.3.5. Synthèse des mesures thermiques réalisées
4. Conclusion
Chapitre III : Comportement thermique des bétons de granulats légers
1. Propriétés thermiques des bétons secs à 20°C
1.1. Influence de la fraction volumique de sable léger
1.2. Influence de la nature des granulats
1.3. Influence de la composition du liant
2. Propriétés thermiques des bétons à différents états hydriques
2.1. Influence du degré de saturation
2.2. Influence de la nature des granulats
2.3. Influence de la composition du liant
3. Propriétés thermiques des bétons à différentes températures ambiantes
4. Homogénéisation du comportement thermique
4.1. Comportement thermique équivalent
4.2. Modèle d’homogénéisation d’un matériau multi-phases polydisperses
4.2.1. Modèle de Mori-Tanaka
4.2.2. Modèle auto-cohérent généralisé
4.2.3. Modèle différentiel
4.2.4. Procédure d’homogénéisation multi-étapes
4.3. Identification de la conductivité thermique des granulats légers
4.3.1. Procédure d’inversion
4.3.2. Conductivité thermique des gravillons
4.3.3. Conductivité thermique des sables
4.4. Prédiction des conductivités thermiques des bétons légers
4.5. Analyse des flux thermiques microscopiques
5. Application des bétons de granulat léger à une enveloppe du bâtiment
5.1. Configurations de l’étude
5.2. Modélisation du problème de transfert thermique
5.2.1. Equations
5.2.2. Données matériaux
5.2.3. Données météorologiques
5.3. Résultats et discussion
5.3.1. Cas du mur non-isolé – Chaleur transférée
5.3.2. Cas du mur isolé – Caractéristiques harmonisées
6. Conclusion
Conclusion générale
