Vers une nouvelle démarche de conception des bétons de végétaux lignocellulosiques basée sur la compréhension et l'amélioration de l'interface liant / végétal : application à des granulats de chenevotte et de tige de tournesol associés à un liant ponce / chaux

Towards a new approach to the design of lignocellulosic plant concretes based on understanding and improving the binder / plant interface : application to chenevot and sunflower stem aggregates combined with a pumice / lime binder

• Auteur / Autrice : Vincent Nozahic
• Direction : Sofiane Amziane
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie Civil
• Date : Soutenance le 19/09/2012
• Etablissement(s) : Clermont-Ferrand 2
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences pour l'ingénieur (Clermont-Ferrand)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Institut Pascal (Aubière, Puy-de-Dôme)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Pascal
• Jury : Président / Présidente : Alexis Beakou
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurent Arnaud, Gilles Escadeillas, Vincent Picandet, Christophe Lanos
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laurent Arnaud, Gilles Escadeillas

Mots clés

Mots clés contrôlés

Liants

Granulats

Propriétés mécaniques

Béton

Mots clés libres

Matériaux

Béton de végétaux

Chanvre

Tournesol

Interfaces

Propriétés mécaniques

Materials

Plant-based concrete

Hemp

Sunflower

Interfaces

Mechanical properties

Résumé

L’utilisation de ressources lignocellulosiques renouvelables connaît à l’heure actuelle un indéniable regain d’intérêt pour l’élaboration de matériaux de construction. Partant de ce constat, un premier axe de travail a vu l’élaboration de bétons de végétaux constitués de granulats de végétaux lignocellulosiques et d’un liant pouzzolanique. Les broyats de tige de chanvre et de tournesol ont ainsi été sélectionnés pour leurs similarités et leur disponibilité dans la région Auvergne. En parallèle, un liant pouzzolanique constitué de 80% en masse de sable de ponce volcanique provenant d’une carrière locale, de 20% de chaux aérienne et d’un activateur a été formulé. Les résultats obtenus montrent la similitude des caractéristiques des granulats de chanvre et de tournesol ainsi que des performances mécaniques et thermiques des bétons légers (<500kg.m-3) constitués de ces végétaux. Les matériaux formulés satisfont aux critères fixés dans les règles professionnelles de la construction en chanvre. Dans un deuxième axe de travail, l’analyse bibliographique réalisée a permis d’identifier la qualité d’interface entre les particules végétales et le liant minéral comme un des principaux verrous scientifiques concernant les bétons de végétaux. Les problèmes de prise à coeur de ces matériaux mériteraient en effet d’être reliés avec ceux observés à l’interface liant/bois. Deux voies d’amélioration sont ainsi explorées dans une approche multi-échelles mêlant analyses physico-chimiques et essais mécaniques : le traitement préalable des particules végétales et l’adjuvantation spécifique du liant. La première stratégie a consisté à réaliser sur les granulats végétaux deux types de modifications : un recouvrement à l’huile de lin et un traitement en solution aqueuse de Ca(OH)2. Afin d’analyser à court terme l’interaction entre les particules ainsi modifiées et le liant frais, un dispositif de mesure spécifique dit de la plaque immergée est utilisé. Les résultats montrent une amélioration de l’interphase liant/végétal après le traitement des granulats en solution de Ca(OH)2. De façon surprenante, les performances mécaniques des bétons de végétaux chutent lorsque les granulats sont préalablement traités. Cette approche, en plus d’être contraignante d’un point de vue industriel, ne résout donc pas de façon satisfaisante les problèmes d’interfaces liant/bois. La seconde stratégie mise en place a nécessité l’intégration dans le liant d’un adjuvant rétenteur d’eau de type éther de cellulose dans des proportions variant de 0,5 à 1,5% par rapport à la masse des poudres. Les observations d’échantillons réalisées au MEB et couplées à une analyse EDX soulignent l’aptitude de l’éther de cellulose utilisé à améliorer les interfaces liant/bois. Une explication de l’action de ces molécules polymères sur les interfaces, basée sur la bibliographie et l’analyse du liant, est proposée. Cette approche a permis l’élaboration de bétons de végétaux immédiatement démoulables, à la compactabilité et la cohésion accrue et dont les propriétés mécaniques sont améliorées par rapport aux solutions en usage. Notons que cette amélioration n’est pas effectuée au détriment des propriétés thermiques. L’utilisation dans les bétons de végétaux d’un rétenteur d’eau ouvre dès lors des perspectives de développement : blocs préfabriqués, enduits légers, murs de béton projeté…

The use of renewable lignocellulosic resources experiences an undeniable resurgence of interest for building materials development. Based on this observation, a first line of work has seen the development of plant-based concretes constituted of lignocellulosic aggregates and a pozzolanic binder. Hemp and sunflower stem aggregates were then selected for their similarities and availability in the Auvergne region. In parallel, pozzolanic binder consisting of 80% by mass of volcanic pumice sand from a local quarry, 20% lime and an activator has been formulated. The results show the similarity of hemp and sunflower aggregates characteristics as well as mechanical and thermal properties of lightweight concretes (<500kg.m-3) made of these plants. Formulated materials meet the criteria appointed in French professional rules ofconstruction in hemp. In a second line of work, the literature review driven enabled to identify interface between the plant particles and the inorganic binder as one of the major scientific issues concerning concrete plants. Heart hardening problems of these materials indeed deserve to be linked with those observed at the interface binder/wood. Two ways of improvement are explored in a multi-scale approach combining physico-chemical analysis and mechanical testing : pre-treatment of vegetable particles and specific adjuvantation of the binder. The first strategy was to make on the plant aggregates two types of changes : a linseed oil recovery and a treatment in an aqueous solution of Ca(OH)2. In order to analyse the short-term interaction between the modified particles and the binder, a specific measurement device based on an immersed plate is used. The results show an improvement of the binder/plant interphase after aggregates treatment in Ca(OH)2 solution. Surprisingly, the plant concretes mechanicals performances fall when plants are pre-treated. This approach is finally restrictive for an industrial point of view and does not solve satisfactorily binder/wood interface problem. The second implemented strategy required the adding in the binder of a waterretaining agent (cellulose ether) in amounts ranging from 0.5 to 1.5% based on the weight of the powders. Observations of samples performed on a SEM microscope and coupled with an EDX analysis underline the ability of the cellulose ether (CE) to improve binder/wood interfaces. An explanation of the action of CE molecules on polymer interfaces based on the literature and analysis of the binder is proposed. This approach has allowed the development of plant concretes immediately demouldable. Designed concretes also show higher compactability and cohesiveness as well as improved mechanical properties compared to the solutions in use. It should be noticed that this improvement is not made at the expense of thermal properties. CE used in plant concretes offer development opportunities : prefabricated blocks, lightweight coatings…