Modélisation et optimisation des performances thermiques des matériaux bio et géosourcés par approche multi-échelle : apport à la valorisation d'une large gamme de co-produits agricoles

Thermal performance modeling and optimization of bio- and geo-based materials using a multi-scale approach : contribution to the valorization of a wide range of agricultural co-products

• Auteur / Autrice : Séverine Rosa Latapie
• Direction : Ariane Abou-Chakra
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie civil
• Date : Soutenance le 07/11/2024
• Etablissement(s) : Université de Toulouse (2023-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire matériaux et durabilité des constructions (Toulouse ; 1999-....)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de délivrance conjointe : Université Toulouse 3 Paul Sabatier (1969-2024)
• Jury : Président / Présidente : Camille Magniont
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Hélène Welemane, Alexandra Bourdot
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Florence Collet-Foucault, Frédéric Alain Grondin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Construction durable

Granulats

Propriétés thermiques

Éco-matériaux

Mots clés libres

Matériaux de construction bio-sourcés

Modélisation multi-échelle

Propriétés thermiques

Granulat végétal

Matériaux de construction géo-sourcés

Microstructure

Bio-based building materials

Multiscale modeling

Thermal properties

Bio-aggregate

Geo-based building materials

Microstructure

Résumé

Face aux défis du 21° siècle, les questions énergétiques et environnementales sont au cœur des préoccupations de nos sociétés. Le secteur du bâtiment, parmi les plus impactants, doit s'emparer de cette réalité pour opérer une transition à la fois rapide, pertinente et durable. L'utilisation de matériaux de construction bio et géo-sourcés permet d'améliorer le confort intérieur et l'efficacité énergétique du bâti tout diminuant l'impact environnemental de la construction. Dans ce cadre, le béton de chanvre est une alternative prometteuse qui se développe depuis plusieurs années. Cependant, de nombreux co-produits agricoles -autres que la chènevotte- peuvent être valorisés dans les matériaux de construction. Ces derniers sont, de surcroît, largement disponibles grâce aux différentes cultures implantées localement (tournesol, colza, lin, ...). Toutefois, de nombreux freins expliquent l'assurabilité délicate de ces éco-matériaux, ce qui limite aujourd'hui leur utilisation à grande échelle à des fins d'isolation répartie. Leur comportement complexe, face aux variations de température et d'humidité relative, est probablement un des principaux verrous à lever. Ces travaux de thèse visent donc à mieux comprendre les phénomènes physiques qui s'opèrent dans ces matériaux, à les modéliser et à proposer des modèles de prédiction de leur comportement thermique. Ils s'appuient principalement sur des techniques d'homogénéisation analytique (Mori Tanaka et Double Inclusion) permettant de considérer la variabilité de la conductivité thermique sous les contraintes d'usage. La considération d'une échelle stratégique, celle de la particule végétale, permet une application étendue à une large gamme de co-produits agricoles. Ainsi, l'analyse multi-échelle proposée permet de prédire et d'optimiser le comportement thermo-hygrique de ces éco-matériaux avant même l'étape de fabrication et en appui des travaux expérimentaux. Ces travaux devraient favoriser l'émergence d'économies locales autour de matériaux de construction sains, efficaces et écologique. Ils constituent des leviers stratégiques à la réduction des émissions de gaz à effet de serre visée par le Pacte Vert pour l'Europe, d'ici 2030.

The challenges of the 21st century require energy and environmental issues to be central concerns for society. The building sector, one of the most environmentally-impacting, must seize this opportunity to ensure a rapid, relevant and sustainable transition. The use of bio- and geo-based building materials allows improvements in indoor comfort and energy efficiency to be achieved, while reducing the building environmental impact. Hemp concrete is a promising alternative which has been developing for several years. However, many agricultural by-products - other than hemp shives - can be used in construction materials. Moreover, they are widely available thanks to the various local crops (sunflower, rapeseed, flax, etc.). Nevertheless, numerous obstacles explain the delicate insurability of these eco-materials, which currently limits their large-scale use for distributed insulation. Their complex behavior, when subjected to temperature and relative humidity variations, is probably one of the main obstacles to be overcome. The aim of this thesis work is therefore to gain a better understanding of the physical phenomena involved in these materials, to model them and to propose models for predicting their thermal behavior. It is mainly based on analytical homogenization techniques (Mori Tanaka and Double Inclusion) allowing the variability of thermal conductivity to be taken into account under use conditions. By considering a strategic scale, the plant particle one, it is possible to extend the approach to a wide range of agricultural co-products. The proposed multi-scale analysis enables the thermo-hygric behavior of these eco-materials to be predicted and optimized even before the manufacturing stage, and as a support for experimental work. This research is expected to encourage the emergence of local economies based on healthy, efficient and environmentally-friendly construction materials. They represent strategic levers in the reduction of greenhouse gas emissions targeted by the Green Pact for Europe between now and 2030.