Valorisation de différentes cendres de biomasse et de particules de tournesol dans des matériaux de construction biosourcés : relation composition-structure-propriétés

Valorization of different biomass ashes and sunflower particles in bio-based building materials : relation composition-structure-properties

• Auteur / Autrice : Desire Ndahirwa
• Direction : Nathalie Leblanc
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Genie civil
• Date : Soutenance le 10/01/2023
• Etablissement(s) : Normandie
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Normande de biologie intégrative, santé, environnement (Mont-Saint-Aignan, Seine-Maritime)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de préparation de la thèse : Université de Rouen Normandie (1966-....) - UniLaSalle (Beauvais - Rouen)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Transformations et Agro-Ressources (Beauvais ; 2016-...)
• Jury : Président / Présidente : Daniel Levacher
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bernard Kurek, Hafida Zmamou, Irini Djeran-Maigre, Hélène Lenormand, Mohammed Sonebi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Bernard Kurek

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux -- Propriétés mécaniques

Microstructure (physique)

Mortier

Bois -- Déchets -- Recyclage

Éco-matériaux

Biomasse -- Conversion

Mots clés libres

Cendres de bois

Particules de tournesol

Mortier biosourcé

Microstructure

Propriétés mécaniques

Durabilité

Wood ash

Sunflower particles

Bio-based mortar

Microstructure

Mechanical properties

Durability

Résumé

La quantité de cendres de biomasse produites par les centrales thermiques et électriques a augmenté au cours de ces dernières années. L’élimination de ces déchets dans les décharges pose de sévères problèmes environnementaux. D’autre part, les particules de tournesol (moelle et écorce) sont des co-produits issus de la récolte de tournesols. Renouvelables et disponibles localement, elles présentent une faible densité apparente et une porosité élevée, qui en font une excellente alternative à la chènevotte dans les bétons biosourcés. Cette thèse vise à étudier la variabilité des cendres de bois et à les valoriser avec des particules de tournesol (moelle et écorce) en matériaux biosourcés éco-responsables pour le bâtiment.Huit lots de cendres de biomasse comprenant des cendres volantes de bois, des cendres sous-foyer de bois, cendres de boues de papiers ont été collectés auprès de trois fournisseurs en région Normandie. Les particules de tournesol ont été récupérées auprès d’une coopérative agricole située dans le sud-ouest de la France. Dans la première phase de l’étude, les caractéristiques de toutes les matières premières collectées ont été étudiées. Ensuite, quatre lots de cendres de bois (trois cendres volantes et un lot de cendres sous-foyer) ont été sélectionnés et utilisés pour développer trente matrices de liaison différentes. Afin d’améliorer les propriétés mécaniques, nous avons incorporé une petite quantité de chaux naturelle hydraulique (NHL) et du ciment Portland ordinaire (OPC). Dans les pâtes, les cendres de bois représentaient 80 à 100 %, tandis que NHL ou OPC étaient ajoutés dans des proportions de 5, 10 et 20 %.Deux pâtes de cendres de bois présentant des résistances à la compression à 28 jours plus élevées ont été sélectionnées pour préparer des matériaux de construction à base de tournesol. En raison de la faible densité et de la porosité élevée des particules de moelle de tournesol, ces dernières ont été utilisées pour élaborer six mortiers destinés à être mis en œuvre par projection. D’autre part, les particules d’écorce de tournesol étaient adaptées à la production de six mélanges d’éléments de construction préfabriqués.Les résultats ont montré que les matériaux de construction légers biosourcés produits dans cette étude présentaient des propriétés mécaniques, thermiques et hygroscopiques et de durabilité comparable à celles des matériaux biosourcés actuellement disponibles. Par conséquent, cette étude conclut que les cendres de bois et les particules de tournesol peuvent être utilisés comme matières premières alternatives dans les matériaux de construction biosourcés

The quantity of wood biomass ash produced from heating and power stations has recently increased. The disposal of this waste in landfills poses severe environmental concerns. On the other hand, sunflower particles (pith and bark) are by-products from the sunflower crop, which are renewable and locally available. The latter present a low bulk density and high porosity, which makes them an excellent alternative to hemp shiv in bio-based concrete. Therefore, this PhD research aims to study the variability of wood ashes and valorize them along with sunflower particles (pith and bark) into eco-friendly lightweight bio-based building materials.Eight batches of biomass ash, including wood fly ash, wood bottom ash and waste paper sludge ash were collected from three suppliers in the Normandy region. The sunflower particles were obtained from an agricultural cooperative located in the southwest area of France. First, the characteristics of all raw materials collected were investigated. Then, four batches of wood ashes (three wood fly ashes and one wood bottom ash) were selected and used to develop thirty different binding matrices. Natural hydraulic lime (NHL) and ordinary Portland cement (OPC) were incorporated as mineral additives to improve the mechanical properties of the pastes. Wood ashes accounted for 80 to 100 %, while NHL or OPC was added at 5, 10 and 20 % ratios.Two wood ash pastes with higher 28-day compressive strengths were selected to prepare sunflower-based building materials. Due to the low density and high porosity of sunflower pith particles, the latter were used to elaborate six mortars for implementation by projection. On the other hand, sunflower bark particles were suitable for producing six mixtures of prefabricated building elements.The results showed that the lightweight bio-based building materials produced in this study exhibited mechanical, thermal, hygroscopic properties and durability comparable to those of currently available bio-based materials. Hence, this study concludes that wood ashes and sunflower particles can be used as alternative raw materials in bio-based building materials.