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Intérêts écologiques et performances techniques des mortiers de chanvre et chau

Intérêts écologiques et performances techniques des mortiers de chanvre et chaux pour le bâtiment. Laurent Arnaud1, Driss Samri1, Bernard Boyeux2 1 Université de Lyon, Lyon, F-69003, France; Ecole Nationale des Travaux Publics de l'Etat, CNRS, URA 1652, Département Génie Civil et Bâtiment, 3, rue Maurice Audin, Vaulx-en-Velin, F-69120, laurent.arnaud@entpe.fr 2 LHOIST BCB, Zac de Valentin, rue du Choumois B.P. 3011, Besançon, F-25045 Cedex, bernard.boyeux@lhoist.com RESUME. Ce papier traite des performances de mortiers de particules de chanvre (chènevotte) mélangées à un liant à base de chaux pour diverses applications dans le domaine du bâtiment : isolation en toiture, remplissage de structure porteuse, realisation de chapes isolantes, enduit decoratif et isolant. La chènevotte, granulat végétal se caractérise par une porosité très élevée. Les mortiers de chanvre et chaux sont également des matériaux à forte porosité avec des pores de différentes tailles. Cette porosité élevée permet de justifier une résistance à la compression modérée (Rc ≈ 2MPa), une absorption acoustique de l’ordre de 0,7, une conductivité thermique de l’ordre de 0,1W/m°C et une forte capacité à réguler les taux d’humidité relative ambiants (confort d’hiver et d’été). Une étude expérimentale et théorique des échanges hygrothermiques permet de comparer les performances du béton de chanvre à celles du béton cellulaire et des briques terre cuite de type Monomur. Elle prouve que la seule conductivité thermique ne suffit pas à caractériser les transferts au sein des bétons de chanvre. MOTS-CLÉS : mortier de chanvre, caractérisation physique, transferts hygro thermique ABSTRACT. This paper deals with the technical performances of hemp lime concrete for various uses in building construction : roof insulation, filling of self bearing structure, realisation of insulating screeds, decorative coats. Shiv is a vegetable aggregate characterized by a hight porosity. Mortar of hemp and limes are also porous materials with pores of different sizes. This porosity enables to justify a moderate compressive strengthe (Rc ≈ 2MPa), a hight acoustical absorption, a low thermal conductivity of about 0,1W/m°C and finally, a hight capacity to regulate relative humidity transfers. (winter and summer conforts). An experimental study is presented. Performances of hemp lime concrete are compared to those of aerated autoclaved concrete and vertically perforated bricks. It is shown that for hemp lime concrete, humidity transfers and phase changes influence dramatically the thermal performances whereas for the other materials, thermal conductivity represents well the bulk thermal behaviour. Numerical simulations are presented. KEYWORDS : Hemp lime concrete, physical characterization, hygro thermal transfer 1. INTRODUCTION Le mortier de chanvre est un matériaux constitué d’un mélange dans des proportions très variables de particules de chanvre (chènevotte) d’origine végétale, de chaux et d’eau. Le chanvre ou « Cannabis Sativae » est une plante annuelle et herbacée de la famille des Cannabinacées, utilisée depuis plus de 6000 ans par l’être humain. Elle était en particulier très prisée pour la qualité de ses fibres. La plante de Cannabis est constituée en deux parties : les graines, la tige. La tige est ensuite séchée et concassée. IBPSA France 2008 _________________________________________________________________________________________________________________ Les fibres sont séparées du reste de la tige, formé de copeaux de bois appelés chènevotte. Les particules de chènevotte ont une forme géométrique du type parallélépipédique. L’intérêt de ce matériau intégrant de la matière végétale est de stocker du CO2 dans un matériau enveloppe de bâtiment. La plantation de chanvre est une excellente tête d’assolement qui nécessite très peu d’entrant (pas de pesticide, pas de traitement et pas d’irrigation). De plus, pour le domaine de la construction, une analyse du cycle de vie (Boutin et al., 2005) montre que le béton de chanvre et chaux, pour l’ensemble de son cycle d’existence le bilan global permet de stocker par mètre carré de mur en 30 cm d’épaisseur 35 kg de CO2. Au delà de ses qualités environnementale bien établies, il convient maintenant de mesurer les performances de ce matériau comme enveloppe du bâtiment. Après une présentation rapide des matières premières, l’article propose une analyse des comportements mécaniques, acoustiques et thermiques dans les paragraphes suivants. Enfin, en conclusions quelques exemples de réalisations seront commentés. Fig. 1 : De g. à dr., plant de chanvre, tige sèche et outil de défibrage ancestral, chènevotte en vrac, particule poreuse en grossissement, image en tomographie d’une particule (Laboratoire MATEIS) 2. MELANGE DE CHANVRE ET CHAUX Une nouvelle technique basée sur analyse d’image a été développée afin de caractériser la morphologie des particules de chanvre (Ceyte, 2008). Cette technique permet de définir longueur et largeur des particules. Fig. 2 : Analyse granulométrique d'un échantillon de chènevotte à partir d’une analyse d'image (longueur, largeur) en fréquence et en nombre cumulé de particules. - 2 - IBPSA France 2008 _________________________________________________________________________________________________________________ - 3 - Une analyse de la granulométrie d’un échantillon de particules issu de la production de La Chanvrière de l’Aube est présentée Fig.2. Elles ont pour dimensions moyennes 2*0,5*0,2 cm3. Grâce à des mesures réalisées par tomographie (Laboratoire Mateis - Lyon), (Ceyte, 2008) prouve que la particule contient une très forte porosité (60%) constituée par des tubes parallèles de faible diamètre (diamètre moyen de 0,08mm). C’est donc une matière première légère. La chènevotte en vrac présente une masse volumique de l’ordre de 110kg/m3. Cette porosité associée à la souplesse des membranes végétales confère aux particules une grande capacité à se déformer (Arnaud et al., 2001). Cette porosité est également à la base des performances thermiques et acoustiques des mortiers présentées au §3. La chènevotte est mélangée à un liant formulé (BCB-Tradical PF70 noté T70 à base de chaux aérienne). Ce liant présente une masse volumique de l’ordre de 1050kg/m3. Les essais réalisés ont montré un très bon fonctionnement en mélange avec la chènevotte. Le comportement mécanique de ce liant seul est classique, élasto-plastique avec une rupture fragile (E ≈ 500 MPa et σrupt ≈ 6 MPa). L’intérêt de cet assemblage est tout d’abord qu’une large gamme de dosages de liant est possible avec la chènevotte : pour les faibles dosages de liant (18% en masse), un mortier très léger et donc isolant thermique et phonique est obtenu (ρSEC ≈ 200 kg/m3), pour les plus forts dosages, ρSEC peut alors atteindre 800 kg/m3 afin de privilégier le comportement mécanique du béton (cf. Fig. 3). Trois mélanges types (voir Tab. 1) ont été mis au point afin de répondre aux exigences définies par les Règles professionnelles de la construction en chanvre (Commission RP2C, 2005) pour trois types d’applications différentes : le remplissage de comble en toiture, le montage de mur et la réalisation de dalle isolante. Une 4ième formulation est également possible pour une application comme enduits isolant. Fig. 3 (de g. à dr.) : Aspects des mortiers de chanvre frais en fonction de dosages croissants en liant. Tab. 1 : Composition des formulations type à base de chènevotte LCDA® et de liant Tradical PF70®. Chanvre T70 Eau Chanvre T70 Eau Toit 110 108 221 25,1% 24,6% 50,3% Mur 110 225 332 16,5% 33,7% 49,8% Dalle 110 269 393 14,2% 34,8% 50,9% Composition massique (kg) Pourcentages massiques initiaux 3. PERFORMANCES THECHNIQUES DES MORTIER DE CHANVRE ET CHAUX Dans le cadre de différents travaux conduits au laboratoire notamment (Cerezo, 05) et )Samri, 08), les propriétés mécaniques, acoustiques et thermiques ont été déterminées pour une large gamme de mélanges. Une rapide présentation suit. IBPSA France 2008 _________________________________________________________________________________________________________________ 3.1. PROPRIETES MECANIQUES Le mélange des particules de chanvre souple et déformable dans un liant plus rigide et fragile est fortement dépendant du dosage en liant. Les bétons de chanvre présentent un comportement élastoplastique dès les plus petites déformations avec un comportement fortement ductile après le pic de contrainte (Fig. 4). Ce comportement mécanique est observé aussi bien pour des essais de compression simple que pour les essais de flexion. La prise aérienne de la chaux conduit à une évolution lente des caractéristiques mécaniques (cf. Tab. 2). Fig. 4 : Essais de résistance à la compression simple à g. et échantillon sollicité en flexion à dr. Tab. 2 : Bilan des performances mécaniques à 90 jours en fonction du dosage en liant (Cerezo, 2005). Ces caractéristiques mécaniques permettent aujourd’hui une large utilisation de ce matériau dans le domaine du bâtiment. Cependant, les résistances maximales modérées nécessitent l’utilisation d’une structure porteuse éventuellement noyée dans le béton de chanvre utilisé alors comme matériau de remplissage. Le caractère ductile du matériau ainsi que les fortes déformations admissibles sont particulièrement intéressants pour s’adapter aux déformations induites soit par de légers mouvements de terrain, soit par de faibles tassements différentiels du sol de fondation. 3.2. ABSORPTION ACOUSTIQUE La forte porosité du matériau et sa souplesse mécanique nous ont conduit à la mesure des propriétés d’absorption des bétons de chanvre. Ces mesures ont été réalisées à l’aide d’un tube de Kundt sur des échantillons de 20cm d’épaisseur (Cerezo, 2005). Les résultats sont présentés Fig. 5. Il apparaît pour toutes les fréquences du domaine audible, le coefficient d’absorption acoustique reste supérieur à 0,5 ce qui physiquement signifie que le matériau absorbe plus de la moitié de l’énergie véhiculée par les ondes sonores. Ceci se justifie aisément en considérant le réseau poreux « multi » échelles que uploads/Ingenierie_Lourd/ interets-ecologiques-et-performances-techniques-des-mortiers-de-chanvre-et-chaux-pour-le-batiment.pdf