Propriétés mécaniques, thermiques et acoustiques d'un matériau à base de particules végétales : approche expérimentale et modélisation théorique
Institution:
Lyon, INSADisciplines:
Directors:
Abstract EN:
This thesis deals with the measurement of physical properties (mechanical, thermal, acoustical) of various formulations of concrete containing vegetable particles. Such material is made up with hemp shives mixed with lime binders. Shives are very porous considering the ratio of capillaries. That fact explains that particles are lightweight, sensible to water and they can be highly strained. The ductile binder is a mixed between hydraulic and aerated lime with sometimes a volume of sand. Depending on the binder proportion, three microstructures of concrete are determined. Moreover, this material presents a microscopic porosity (shives) and a macroscopic porosity. These networks are connected. Vegetable concrete presents a ductile behavior. . The maximum stress and the Young modulus are limited as compare to other building materials but the bearable level of strain is rhigh. A theoretical model made with self-consistent method allows to calculate the Young modulus as a function of the mixture proportion and the compactness level. A comparison with experimental measurements shows a good accuracy of the results. Then, the dry thermal conductivity of vegetable concrete is studied. Considering its high sensibility to water, the level of sorption and the impact on thermal conductivity are evaluated. A self-consistent method leads to a model of dry and wet conductivity taking into account the physical properties (proportions, compactness) and the hygrometry. Lastly, the sound absorption of vegetable concrete is measured. The values are high. This first step in the study of the acoustical properties shows a behavior, which can be compared to materials with a double porosity.
Abstract FR:
Ce mémoire de thèse est consacré à l'étude des propriétés mécaniques, thermiques et acoustiques du béton de chanvre. Ce matériau est obtenu en mélangeant un liant à base de chaux, des particules végétales et de l'eau. Ces dernières possèdent une porosité intrinsèque importante, du fait de la présence de capillaires. Ceux-ci rendent les particules légères, compressibles et sensibles à l'eau. Le liant contient un mélange de chaux hydraulique et aérienne. Le mélange de ces deux constituants de nature et de caractéristiques très différentes conduit à un matériau dont les propriétés seront variables en fonction des concentrations volumiques de chaque constituant. De plus, ce matériau se distingue par un double réseau de pores, l'un de taille microscopique (10 à 40 mm) et l'autre de taille mésoscopique (< 1 mm). On montre expérimentalement que ces deux réseaux sont connectés. Du point de vue mécanique, le béton de chanvre se caractérise par un comportement élasto-plastique. La résistance en compression varie entre 0,25 et 1,15 MPa. Le module d'élasticité est compris entre 4 et 170 MPa. Ces valeurs sont modestes par rapport à celles des autres matériaux de construction. En revanche; ce matériau peut supporter des niveaux de déformations élevés (0,04 < esmax < 0,15). En s'appuyant sur les observations expérimentales, une modélisation par homogénéisation autocohérente est réalisée. Celle-ci permet d'obtenir un modèle prédictif de la valeur du module d'élasticité pour des formulations et des niveaux de compactage variables. Ensuite, une étude des transferts de chaleur et de masse au sein du matériau sous diverses hygrométries est menée. On a quantifié expérimentalement la sensibilité du matériau à l'hygrométrie ambiante HR. Des campagnes de mesures ont déterminé la conductivité thermique sèche et humide du béton de chanvre pour des formulations et des compacatges différents. Un modèle autocohérent est également mis en œuvre en utilisant deux types de motif générique. Il permet de retrouver les résultats expérimentaux avec une bonne fiabilité. Enfin, une caractérisation de l'absorption acoustique du béton de chanvre est initiée. Elle montre des niveaux d'absorption élevés sur toute la gamme de dosages étudiés (a > 0,5). Ce travail exploratoire met également en lumière un comportement proche de celui d'un milieu à double porosité.