Βétοn biοsοurcé isοlant semi-structurel et étanche à l'eau

Semi-structural insulating and waterproof biobased concrete

• Auteur / Autrice : Abdelrahman Mohamad
• Direction : Mohamed Boutouil, Daniel Chateigner
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie civil
• Date : Soutenance le 09/11/2021
• Etablissement(s) : Normandie
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique, sciences de l’ingénieur, matériaux, énergie (Saint-Etienne du Rouvray, Seine Maritime)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de cristallographie et sciences des matériaux (Caen ; 1996-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université de Caen Normandie (1971-....)
• Jury : Président / Présidente : Siham Kamali
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mohamed Boutouil, Daniel Chateigner, Gilles Escadeillas, Fouzia Kadraoui, Frédéric Becquart
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Siham Kamali, Gilles Escadeillas

Mots clés

Mots clés contrôlés

Constructions

Isolation thermique

Matériaux poreux

Étanchéité

Produits biosourcés

Éco-béton

Béton de mousse

Mots clés libres

Béton biosourcé

Chènevotte

Isolation

Distribution des pores

Foamed concrete

Bio-based concrete

Hemp shiv

Insulating

Pore distribution

Waterproofing

Résumé

Le béton mousse est un matériau de construction constitué d'une matrice cimentaire et de réseaux de bulles d'air. Ce matériau offre d'excellentes performances thermiques. Par ailleurs, le béton de chanvre est un matériau isolant à base de granulats de chanvre qui améliore le confort et la consommation énergétique des habitations. Mais ces deux matériaux présentent des performances mécaniques et une étanchéité limitée. De plus, de rares études traitent la combinaison de ces deux matériaux. L'objectif de cette étude est donc de créer un béton mousse non autoclavé incorporant des chènevottes, isolant semi-structurel et imperméable.Dans ce contexte, la recherche a commencé par une formulation de béton mousse avec 100% de ciment et utilisée comme béton mousse témoin. De plus, une autre formulation témoin est utilisée mais en remplaçant 30% de ciment portlandite par 10% de métakaolin et 20% de laitier granulé de haut fourneau moulu respectant la norme NF EN-206, où le métakaolin est un activateur du laitier pour améliorer la cohésion et l'adhérence du liant.Sur la base de sur ces deux formulations témoins, différentes quantités de ciment (5, 10 et 15 % en poids) ont été remplacées par de la chènevotte afin d'évaluer la densité, les propriétés mécaniques et thermiques, le coût de production et l'émission de CO₂ de ces bétons. Les meilleures formulations donnant des résultats acceptables pour créer des bétons mousses biosourcés pour des applications semi-structurelles ont été sélectionnées. Les critères qui ont été choisis sont basés sur une résistance à la compression supérieure à 2 MPa (la compression minimale pour obtenir un matériau autoporteur) et une conductivité thermique et une densité inférieure à 0,2 W/(m.K) et 800 kg/m³, respectivement. Ensuite, quatre formulations avec différentes quantités de chanvre et d'additifs pouzzolaniques sont sélectionnées pour être produites par deux méthodes différentes de production (méthode préformée et méthode directe). Tout d'abord, la structure des pores et la matrice cimentaire de ces bétons sont étudiées, puis les propriétés mécaniques, thermiques et hydriques de tous les bétons mousses biosourcés sont analysées. Il est apparu que les particules de chanvre et les additifs pouzzolaniques ont un effet négligeable sur la distribution des bulles d'air du béton mousse produit par la méthode préformée, mais ils ont un effet remarquable sur le béton mousse produit par la méthode directe. En outre, le chanvre réduit l'accélération de la prise du béton et réduit la résistance mécanique, améliore la résistivité thermique et augmente l'absorption capillaire et l'adsorption du béton mousse.Une fois ces bétons caractérisés, les meilleurs bétons semi-structurels (Rc > 2 MPa) et structurels (Rc > 17 MPa) sont sélectionnés pour être améliorés en termes d'imperméabilité en utilisant des hydrofuges de masse et de surface. Les propriétés physiques et mécaniques, ainsi que l'absorption capillaire sont étudiées pour identifier les effets des hydrofuges sur les propriétés et sur l'imperméabilité du béton mousse biosourcé. Les hydrofuges de masse améliorent légèrement la résistance mécanique des bétons mousse incorporés aux chènevottes et les deux hydrofuges rendent les bétons mousse imperméables à l'eau. Ensuite, ces deux bétons mousse biosourcés sont assemblés en un seul matériau semi-structurel, isolant et imperméable, et la performance thermique de ce matériau est étudiée dans une maison modèle en utilisant une simulation numérique thermique et en comparant la performance hygrothermique de ce matériau à celle d'autres isolants traditionnellement utilisés sur le marché.

Foamed concrete is a construction material consisting of a cementitious matrix and air bubbles network. This material offers excellent thermal performance. In addition, hemp concrete is an insulating material based on hemp aggregates which improves both the comfort and energy consumption of the habitats. But these two materials have modest mechanical performance and impermeability. Moreover, the studies that discuss the combination of these two materials are rare, so the objective of this study is to create a non-autoclaved foam concrete incorporated with hemp shiv, insulating, semi-structural and waterproof.In this context, the research is started with a formulation of foam concrete with 100% of cement and used as a control foam concrete. In addition, another control formulation is used but by replacing 30% of portlandite cement by 10% of metakaolin and 20% of ground granulated blast-furnace slag respecting the norm NF EN-206, where metakaolin is an activator of the slag to improve the cohesion and the adhesion of the binder.Based on these two control formulations, different cement amounts (5, 10 and 15 wt%) were replaced by hemp shiv in order to evaluate the density, mechanical and thermal properties, production cost and CO₂ emissions of these concretes. Then, the best formulations that give acceptable results to create bio-based foam concretes for semi-structural applications were chosen. Criteria that were chosen on the basis are compressive strength of at least 2 MPa (the minimum compression to achieve a self-supporting material) and thermal conductivity and density lower than 0.2 W/(m.K) and 700 kg/m³, respectively. After that, four formulations with different amount of hemp shiv and pozzolanic additives are selected to be produced by two different methods, as preformed and direct method. Firstly, the porous structure and the cementitious matrix of these concretes are studied, then the mechanical, thermal and hydric properties of all foamed biobased concretes are investigated, and it is found that the hemp shiv particles and the pozzolanic additives have a negligible effect on the air bubble distribution of the foamed concretes produced by the preformed method, but it shows a remarkable effect on the foamed concretes produced by the direct method. Also, hemp shiv reduces the setting acceleration of concrete and reduces the mechanical strength, improves the thermal resistivity and increases the capillary absorption and adsorption of foamed concrete.Once these concretes have been characterized, the best semi-structural (Rc > 2 MPa) and structural concretes (Rc > 17 MPa) are selected to improve their impermeability by using mass and surface water repellents. Physical and mechanical properties, and capillary absorption are studied to identify the water repellents effects on the properties and the waterproofing of bio-based foamed concrete. Mass water repellents slightly improve the mechanical resistance of the foam concretes incorporated with hemp and the two water repellents make the foam concretes waterproof. Then, these two bio-based foamed concretes are assembled in a single semi-structural, insulator and waterproofing material, and the thermal performance of this material is studied in a model house by using a thermal numerical simulation and comparing the hygrothermal performance of this material by other insulators used in the market.