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Méthodes de mesure en régime transitoire
Elles permettent de mesurer tous les types de matériaux. Les thermogrammes sont enregistrés puis analysés afin de déterminer les propriétés thermiques ciblées. C’est le cas par exemple de la méthode Flash ou du Hot Disk pour la détermination de la diffusivité thermique ou du fil chaud en ce qui concerne la conductivité thermique.
Méthode du fil chaud
La méthode du fils chaud est une technique classique de mesure de la conductivité thermique en régime transitoire. Elle a été utilisée ces dernières années pour caractériser de nombreux matériaux [5].
Le principe de la méthode consiste à placer un fil chauffant entre les surfaces planes de deux échantillons du matériau à caractériser. On applique un échelon de flux de chaleur constant (Φ = 0 si t<t0 et Φ = Φ0 si t>t0) au fil chauffant et on relève l’élévation de sa température. Pendant le temps ou la perturbation n’a pas atteint les autres faces des échantillons, c’est dire ou l’hypothèse du milieu semi-infini est valide, on peut considérer que le transfert de chaleur au centre de l’échantillon au tour du fil est radiale. La modélisation de ce transfert permet de calculer l’évolution de la température au centre de l’échantillon. On applique une méthode d’estimation des paramètres pour calculer les valeurs de la conductivité thermique λ, de la capacitance thermique (mc)s de l’ensemble sonde + fil chauffant et la résistance de contact à l’interface sonde/échantillon, qui minimisent l’écart entre les courbes ( ) théoriques et expérimentales.
Méthode Flash
C’est une technique qui permet d’estimer la diffusivité thermique des matériaux solide en régime transitoire. Cette méthode mise au point par (Parker, 1961) et améliorée successivement par plusieurs auteur [7]; et [8];[9] ; [10] ; [11]; [12]. Le dispositif de la figure suivante permet de décrire son principe de fonctionnement.
Le principe de la méthode est de soumettre à la face avant d’un échantillon à une impulsion thermique de très courte durée et d’enregistrer l’élévation de sa température à partir du moment la face avant a reçu un flash. Une modélisation adéquate permet de trouver l’équation de la température au centre de la face arrière dans l’espace de Laplace.
Approche Parker :
Cette méthode ne s’applique que dans le cas où la durée de l’éclaire du flash est très petite et où les pertes convectives sur les différentes faces de l’échantillon sont négligeables. 𝑇1(𝑡) 𝑇2(𝑡) h Echantillon.
La diffusivité thermique 𝑎 est calculé à partir du temps 𝑡1/2 nécessaire pour que la température 𝑇2(𝑡) de la face arrière soit égale à la moitié de la température maximale atteinte [13].
Approche dite des Temps Partiels :
Cette méthode prend en compte les pertes convectives mais ne s’applique toutefois que dans le cas où la durée de l’éclaire est très petite. Son principe repose sur l’utilisation des 4 pointsdu thermogramme d’ordonnée respectives 1/2𝑇𝑚𝑎𝑥; 2/3𝑇𝑚𝑎𝑥; 5/6𝑇𝑚𝑎𝑥; 𝑇𝑚𝑎𝑥 correspondant au temps 𝑡1/2; 𝑡2/3; 𝑡5/6; 𝑡𝑚𝑎𝑥. La diffusivité thermique peut être obtenu par les 3 formules suivantes .
PROTOCOLE EXPERIMENTAL
L’introduction d’inclusion dans une matrice solide vise à améliorer les performances du matériau, notamment ces performances thermiques [17]. Lorsqu’on mélange deux corps de masses volumiques différentes, la masse volumique du composite est la moyenne des masses volumiques pondérée par la fraction volumique des constituants. En revanche, les propriétés macroscopiques des matériaux hétérogènes ne sont généralement pas obtenues à partir de relations simples impliquant les fractions volumiques [18].
Notre objectif dans ce chapitre est de présenter les matériaux de base utilisés dans l’expérimentation et l’essai thermique réalisé pour caractériser les échantillons élaborés.
Nous allons d’abord présenter les matériaux utilisés pour la fabrication des éprouvettes, la procédure d’élaboration des matériaux à caractériser et enfin la méthode de caractérisation thermique employée.
Choix des matériaux et matériels utilisés pour la fabrication des éprouvettes
Face aux préoccupations environnementales, le choix des matériaux adéquats est l’une des solutions pour limiter l’impact négatif sur l’environnement. Les matériaux utilisés au cours de cette étude ont été extraits au niveau local, ce qui leur donne une valeur ajoutée par rapport à leur cycle de vie. Il en est de même que la sciure de bois qu’on retrouve dans des scieries et des menuiseries en bois le long des rues. L’association de ces deux produits donne un matériau composite poreux, léger et dur et qui présente donc un aspect isolant finalement intéressant pour son utilisation comme matériau de construction.
L’argile provient généralement de l’altération des roches sédimentaires plus ou moins cohérentes présentant des propriétés de plasticité à l’état humide. En ajoutant de l’eau, l’argile devient utilisable comme liant et celle utilisée dans le cadre de cette étude provenant de Thicky, village situé dans la commune de DIASS non loin du nouvel aéroport AIBD est de couleur grise et possède une bonne cohésion. C’est un sous-produit des carrières locales qui ne nécessite pas de transformations. C’est un matériau qui a un fort caractère liant mais les phénomènes de retrait qu’il provoque rendent quelque fois peu difficile son utilisation par rapport à la latérite. Nous avons choisi de travailler avec l’argile non seulement pour connaitre ces propriétés thermiques mais pour savoir son utilité dans les anciennes constructions. EnMémoire de Master Ⅱ, présenté par Ibrahima NDAW 22 définitive, c’est un matériau disponible en abondance localement dont l’exploitation ne produirait du dioxyde de carbone qu’au niveau du transport.
Nous avons choisi la sciure de bois, qui est un matériau renouvelable, recyclable et durable comme matériau de construction dont l’utilité est de piéger le dioxyde de carbone avant la destruction de l’ouvrage. La sciure de bois a été choisie à raison de sa disponibilité et de laprésomption favorable de ses caractéristiques thermiques car, elle est poreuse et légère. Son incorporation dans les briques d’argile permettrait d’obtenir un éco-matériau plus léger et bon isolant thermique que la brique d’argile simple stabilisée.
Le dispositif expérimental de fabrication des éprouvettes comprend un tamis de 640µm pour tamiser l’argile (Figure 13), un malaxeur (Figure 14) pour uniformiser le mélange. Les échantillons sont mélangés et malaxés dans les mêmes conditions.
La mesure de la masse des différents échantillons est faite par une balance électronique d’une grande précision (Figure 12).Mémoire de Master Ⅱ, présenté par Ibrahima NDAW 23
Le mélange est ensuite versé dans un moule métallique en aluminium dont les dimensions sont 10cm x10cm x 3cm (Figure 14). Une fois mise en place dans le moule, le mélange estvibré manuellement et laissé dans une chambre humide pendant 24h avant d’être démoulé (Figue 15).
Formulation des échantillons
Pour déterminer la composition des mélanges, nous avons associé une certaine masse d’argile avec plusieurs doses de sciures de bois par pesés. On réalise ainsi des éprouvettes à base d’argile et de sciure de bois avec différente teneur en eau et en sciure de bois.Mémoire de Master Ⅱ, présenté par Ibrahima NDAW 24
Les éprouvettes sont de forme parallélépipédique de dimension 10cmx10cmx3cm : les dimensions finies 10cmx10cm coïncident exactement avec celles de la sonde et l’épaisseur 3cm a été fixée à l’aide d’une simulation numérique pour assurer l’échantillon d’être assimilé à un milieu semi-infini. Pour chaque échantillon, le pourcentage x de sciure de bois dans l’échantillon est déterminé par l’expression suivante : 𝑥 = 𝑚𝑠𝑐𝑏𝑜𝑖𝑠 𝑚 𝑎 + 𝑚𝑠𝑐𝑏𝑜𝑖𝑠 (44)
𝑚𝑠𝑐𝑏𝑜𝑖𝑠 = 𝑥𝑚𝑎 + 𝑥𝑚𝑠𝑐𝑏𝑜𝑖𝑠 𝑚𝑠𝑐𝑏𝑜𝑖𝑠(1 − 𝑥) = 𝑥𝑚𝑎 𝑚𝑠𝑐𝑏𝑜𝑖𝑠 = 𝑥 1 − 𝑥 𝑚𝑎 (45.
Estimation des paramètres
Un montage de type plan chaud asymétrique est utilisé pour les mesures de ces propriétés thermiques citées précédemment en faisant varier la teneur en eau de 0 à environ 7 %. Une technique d’emballage des éprouvettes en plastique empêche la migration d’eau sur les bords lors du transfert de chaleur.
Des essais pour l’estimation des paramètres 𝜌𝑐 𝑒𝑡 𝜆 sont faits à l’aide du modèle complet issu d’un programme MATLAB par la méthode du plan chaud asymétrique sur les échantillons ayant respectivement 0%, 11% et 33% de teneur en sciure de bois. Les résultats obtenus sont représentés sur les tableaux suivant.
Présentation et analyse des résultats expérimentaux
A l’aide d’un dispositif de type plan chaud asymétrique et l’utilisation d’une modélisation quadripolaire, conduit à la détermination de la température dans l’espace de Laplace dans un premier temps et par inversion dans l’espace réel. Une méthode de minimisation de type Levenberg et Marquart est utilisée dans un programme de type MATLAB fonctionnant avec un modèle complet permet de déterminer les paramètres thermophysiques pour lesquels la courbe expérimentale coïncide avec la courbe du modèle.
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Table des matières
LISTE DES TABLEAUX
TABLE DES MATIERES
INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE 1 : REPERTOIRE DE METHODES DE MESURE
Introduction
1.1. Méthodes de mesure en régime permanent
1.1.1. Méthode des boîtes
1.1.2. Méthode de la plaque chaude gardée
1.2. Méthodes de mesure en régime transitoire
1.2.1. Méthode du fil chaud
1.2.2. Méthode du plan chaud symétrique
1.2.3. Plan chaud asymétrique
1.2.4. Méthode Flash
Conclusion
CHAPITRE 2 : MODELISATION DE PROPRIETES THERMOHYSIQUES
Introduction
2.1. Masse volumique
2.2. Capacité thermique spécifique
2.3. Capacité thermique volumique
2.4. La conductivité thermique
2.4.1. Modèle parallèle
2.4.2. Le modèle série
2.4.3. Les modèles de type Maxwell
Conclusion
CHAPITRE 3 : PROTOCOLE EXPERIMENTAL
Introduction
3.1. Choix des matériaux et matériels utilisés pour la fabrication des éprouvettes
3.2. Formulation des échantillons
3.3. Dispositif expérimental de mesure des propriétés thermiques des échantillons
Conclusion
CHAPITRE 4 : ANALYSE ET INTERPRETATION DES RESULTATS
Introduction
4.1. Estimation des paramètres
4.2. Etude des sensibilités réduites
4.3. Présentation et analyse des résultats expérimentaux
4.3.1. Conductivité thermique
4.3.2. Capacité thermique volumique
Conclusion
CONCLUSION GENERALE ET PERSPECTIVES
BIBLIOGRAPHIE
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