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HAL Id: tel-01835828 https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01835828 Submitted on 11 Jul 2018 HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entific research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers. L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés. caractérisation et optimisation d’un composite biosourcé pour l’habitat Yoann Brouard To cite this version: Yoann Brouard. caractérisation et optimisation d’un composite biosourcé pour l’habitat. Construction durable. école doctorale université de Tours, 2018. Français. tel-01835828 1 2 UNIVERSITÉ DE TOURS ÉCOLE DOCTORALE EMSTU Laboratoire de Mécanique Gabriel Lamé THÈSE présentée par : Yoann BROUARD soutenue le : 14 mai 2018 pour obtenir le grade de : Docteur de l’université de Tours Discipline/ Spécialité : Génie mécanique et productique CARACTERISATION ET OPTIMISATION D'UN COMPOSITE BIOSOURCE POUR L'HABITAT JURY : Zoubeir LAFHAJ Professeur, Ecole Centrale Lille, Rapporteur Saïd TAÏBI Professeur, Université du Havre, Rapporteur Camille MAGNIONT Maitre de conférences, INSA Toulouse, Examinateur Thibaut LECOMPTE Maitre de conférences HDR, Université Bretagne Sud, Examinateur Pierre OUAGNE Professeur, ENIT Tarbes, Examinateur Naima BELAYACHI Maitre de conférences HDR, Université d'Orléans Stéphane MEO Professeur, Université de Tours Narayanaswami RANGANATHAN Professeur, Université de Tours Julien BONSENS Chargé de Mission Eco-construction Loches Développement Eric JULIEN Artisan, Membre invité 3 4 Remerciements Cette thèse doctorale est une somme de contributions de différents acteurs qui m’ont permis de réaliser, un travail de recherche sur un sujet qui me passionne. Merci tout d’abords aux initiateurs du projet biocomp qui est le fruit d’une rencontre entre un directeur de laboratoire, le Pr. Ranganathan, un artisan, Éric Julien et le chargé de mission éco-construction du Pays Touraine Côté Sud, Julien Bonsens avec lequel j’ai toujours beaucoup de plaisir à échanger et qui m’a permis d’ancrer ces travaux dans une réalité de territoire. L’université d’Orléans via Pierre Ouagne a par la suite rejoint le projet en participant notamment à sa définition. Ayant ensuite endossé le costume du doctorant, j’ai pu bénéficier d’une ambiance conviviale au sein du CERMEL (Centre d’Etude et de Recherche sur les Matériaux Elastomère) et de l’appui et la bienveillance de chacun des cermelitos en particulier mes voisins d’open-space Mapie et Christophe qui ont su me brieffer et me prodiguer de précieux conseils tout au long de mes essais et de la rédaction de ce manuscrit. De nombreuses personnes ont également contribué à la partie expérimentale tout d’abord pour définir le protocole expérimental in situ sur les chantiers encadré par Eric Julien, puis, le temps de disposer du matériel sur place, via une collaboration et des échanges très intéressants avec Hélène Lenormand de l’Uni La Salle à Rouen qui m’a également permis d’établir un contact avec Philippe Glé du CEREMA de Strasbourg qui m’a ouvert les portes de son laboratoire pour réaliser les essais acoustiques et ensuite m’apporter tout l’éclairage nécessaire pour l’exploitation et l’interprétation des données. J’ai pu bénéficier d’un appui des responsables du CERMEL et du LaMé pour acquérir le matériel nécessaire à la réalisation d’essais à Tours et de la disponibilité, l’expérience et l’inventivité et la bonne humeur sans faille de Mathieu Venin que je remercie particulièrement. La plus forte contribution à la partie expérimentale de cette thèse est celle du département génie civil de Polytech Orléans qui a rejoint l’encadrement du projet lors de la deuxième année. Cela m’a permis de bénéficier du matériel présent sur place, de l’appui et de la bonne volonté des stagiaires de Master Wajih, Sami et Nourham qui ont permis de poursuivre certaines expérimentations lorsque ma présence en continue à Orléans n’était pas possible, je leur souhaite de bons débuts dans la vie professionnelle. Tout au long de ces 3 ans et quelques mois, j’ai eu la chance de bénéficier de toute l’aide dont j’avais besoin administrativement pour traverser sereinement les aléas d’une thèse doctorale, je remercie en particulier Naïma et Anne et, bien sûr, le chef d’orchestre Stéphane Méo qui a su trouver avec une bienveillance sincère les solutions qui s’imposaient pour que mon travail puisse s’effectuer dans les meilleurs conditions et que cette thèse aille jusqu’à son terme malgré les défis à relever. Ma plus grande reconnaissance enfin va vers Naima Belayachi pour son rôle fondamental à la réussite de cette thèse. Elle a su en effet, me donner l’encadrement technique toujours pertinent dont j’avais besoin, la facilitation 5 de mes essais, les précieux conseils et relectures lors de la rédaction, ce fut un véritable soulagement de pouvoir bénéficier de son professionnalisme et de sa dévotion, je lui souhaite de recueillir toute la reconnaissance professionnelle qu’elle mérite ! Enfin, si ces 3 ans se sont déroulés dans la sérénité, je le dois beaucoup à mes enfants Odon et Ninel et à mes parents que je sais être présents derrière moi pour m’empêcher de tomber. 6 Table des matières Introduction ............................................................................................................................ 16 CHAPITRE I : Contexte général et éléments de bibliographie sur l’emploi de matériaux biosourcés pour l’isolation des bâtiments .................................................................................................. 21 1.1 Introduction .............................................................................................................. 21 1.2 Problématiques générales ......................................................................................... 22 1.2.1 Enjeux environnementaux .................................................................................... 22 1.2.2 Impact carbone des rénovations énergétiques ...................................................... 23 1.2.3 Economie circulaire .............................................................................................. 25 1.2.4 Ecologie industrielle appliquée au secteur du bâtiment ....................................... 25 1.3 Matériaux de construction dans l’habitat ................................................................. 27 1.3.1 Matériaux et réduction des impacts environnementaux ....................................... 27 1.3.2 Matériaux biosourcés ........................................................................................... 29 1.3.3 Matériaux biosourcés et qualité de l’air intérieur ................................................. 34 1.3.4 Analyse de cycle de vie et impact environnemental ............................................ 36 1.4 Le projet BIOCOMP ................................................................................................ 38 1.4.1 Enjeux et contexte ................................................................................................ 38 1.4.2 BIOCOMP : programme scientifique .................................................................. 45 1.5 Conclusion ................................................................................................................ 46 CHAPITRE II : Caractérisation des matières premières et formulation des biocomposites . 47 2.1 Introduction .............................................................................................................. 47 2.2 Transformation des végétaux et séparation .............................................................. 48 2.3 Préparation au laboratoire ........................................................................................ 49 2.4 Terre crue ................................................................................................................. 52 2.4.1 Bac de rétention d’argile ...................................................................................... 52 7 2.4.2 Carrière de La Rouchouze .................................................................................... 54 2.5 Méthodes de caractérisation des matières premières ............................................... 55 2.5.1 Caractérisation des granulats ................................................................................ 55 2.5.2 Caractérisation de la terre-crue ............................................................................ 58 2.6 Résultats et discussion .............................................................................................. 60 2.6.1 Caractérisation des granulats ................................................................................ 60 2.6.2 Caractérisation de la terre-crue ............................................................................ 68 2.7 Elaboration des biocomposites ................................................................................. 71 2.7.1 Mise en œuvre artisanale ...................................................................................... 71 2.7.2 Saisonnalité, lutte contre les moisissures ............................................................. 72 2.7.3 Optimisation des proportions et masses volumiques au laboratoire .................... 73 2.7.4 Protocole de fabrication des échantillons au laboratoire ...................................... 74 2.8 Conclusion ................................................................................................................ 77 CHAPITRE III : Caractérisation thermique, hydrique et mécanique des biocomposites ...... 79 3.1 Introduction .............................................................................................................. 79 3.2 Caractérisation thermique......................................................................................... 81 3.2.1 Protocole de caractérisation thermique ................................................................ 81 3.2.2 Influence de la masse volumique. ........................................................................ 82 3.2.3 Influence de la teneur en eau et de l’humidité relative......................................... 86 3.3 Caractérisation mécanique ....................................................................................... 87 3.3.1 Protocole de caractérisation mécanique ............................................................... 87 3.3.2 Module de Young et contrainte maximale de compression ................................. 87 3.3.3 Influence du sens de compactage sur les caractéristiques mécaniques des bio- composites : ...................................................................................................................... 91 3.4 Caractérisation hydrique : courbes de sorption/désorption ...................................... 94 3.4.1 Courbes de sorption/désorption ............................................................................ 94 8 3.4.2 Absorption capillaire ............................................................................................ 96 3.5 Influence du silicate d’éthyle et de la chaux sur les propriétés mécaniques des biocomposites ..................................................................................................................... 102 3.5.1 Stabilisation à la chaux ....................................................................................... 102 3.5.2 Stabilisation au silicate d’éthyle ......................................................................... 102 3.5.3 Comportement des biocomposites stabilisés ...................................................... 103 3.5.4 La stabilisation de la terre-crue est-elle à rechercher ? ...................................... 105 3.6 Conclusion .............................................................................................................. 106 CHAPITRE IV : Impact de l’enduit de finition sur le comportement des biocomposites .... 108 4.1 Introduction ............................................................................................................ 108 4.2 Caractérisation hydrique ........................................................................................ 109 4.2.1 Mesures de la capacité de tampon hydrique (Moisture Buffer Value - MBV) .. 109 4.2.2 Comparaison des capacités de tampon hydrique ................................................ 112 4.3 Caractérisation acoustique ...................................................................................... 121 4.4 Evaluation expérimentale et numérique d’une paroi en tuffeau isolée en terre-colza 130 4.4.1 Caractérisation expérimentale de la résistance thermique de la paroi................ 130 4.4.1.2 Présentation du dispositif ............................................................................... 133 4.4.2 Approche numérique du comportement hygrothermique de la paroi................. 135 4.4.3 Etude numérique de l’influence de l’enduit sur la durée de séchage de l’isolant biocomposite .................................................................................................................. 140 4.5 Conclusion .............................................................................................................. 144 Conclusion Générale et perspectives .................................................................................. 147 Bibliographie ......................................................................................................................... 154 Résumé .................................................................................................................................. 167 Mots-clés: ........................................................................................................................... 169 Abstract ................................................................................................................................. 170 9 Keywords: .......................................................................................................................... 171 10 11 Liste des tableaux Tableau 2-1. Masse volumique des granulats végétaux utilisés (RS, SB, SP) ........................ 60 Tableau 2-2-2. Masse volumique en vrac et conductivité thermique des granulats végétaux 66 Tableau 2-3. Porosité totale des granulats végétaux ............................................................... 67 Tableau 2-4. Comparaison des proportions granulaires, limites de liquidité et valeurs au bleu de méthylène de terres-allégées avec différents granulats végétaux ........................................ 70 Tableau 2-5. Nomenclature des masses volumiques des mortiers à l’état frais ...................... 75 Tableau 3-1 . Porosité totale des biocomposites ..................................................................... 82 Tableau 3-2. Comparaison de la conductivité thermique en fonction de la masse volumique de différents bétons végétaux issus de uploads/Litterature/ these-yoann-brouard-biocomp.pdf