Développement de bétons évapotranspirants pour le · PDF filequantités d'eau, de les stocker, et de les restituer en reproduisant le phénomène de transpiration lors de grandes

1 ENSAPM – Département Transitions – Séminaire de recherche – Année 2015-2016

Développement de bétons évapotranspirants pour le contrôle thermique du bâti

Mathilde Avinée* *Etudiante ENSAPM, Département Transitions, Master 2 14 rue Bonaparte, 75006 Paris RÉSUMÉ. Cette étude porte sur une stratégie de refroidissement passive des surfaces bâties par l'utilisation de bétons super absorbants, capables de reproduire le phénomène de transpiration. A partir de l'analyse de travaux actuels, cette étude expérimentale présente la réalisation de bétons dont les granulats classiques ont été substitués par des granulats naturels et synthétiques hautement absorbants, dans le but d' augmenter leur capacité de sorption d'eau. De la sépiolite, du silica gel et de l'hydrogel ont été mélangés à des mortiers. L'étude présente des tests d'absorption, d'adsorption et d'évaporation effectués sur ces bétons, permettant de comparer leurs performances spécifiques et démontrant l'efficacité du béton d'hydrogel. KEY WORDS : bétons, absorption, adsorption, évapotranspiration, sépiolite, silica gel, hydrogel 1.Introduction Plus de la moitié de la population actuelle vit dans les villes. Selon un rapport de l’ONU datant de 2014[Rapport ONU 2014], 54% de la population mondiale vit aujourd’hui dans des zones urbaines, et cette proportion devrait dépasser 66% en 2050. Les villes sont de plus en plus chaudes comparées aux régions rurales ; à Athènes, des écarts de 10°C peuvent être enregistrés entre la ville et les villages environnants [5]. La ville de Paris est en moyenne plus chaude de 2,5°C par rapport à sa périphérie [16]. Ces différences de températures relevées en zone rurale et urbaine font apparaitre un phénomène d'accumulation de chaleur en ville, qu'on qualifie d'« ilots de chaleur urbains». Ces concentrations de chaleur sont principalement causées par l'imperméabilité à l'eau des surfaces bâties. L’usage de matériaux absorbant et stockant les radiations solaires amplifient le phénomène d'emmagasinement de chaleur tout en diminuant l’effet d’évaporation qui permettrait de les de refroidir.


L'inconfort thermique dans les villes est la principale conséquence des effets d'ilot de chaleur urbain. Il pousse à l'usage systématique d'appareils mécaniques de rafraichissement. Or, les systèmes de climatisation et de chauffage sont les principaux consommateurs d'énergie d'un bâtiment. Au delà d'un impact environnemental lourd, ces dispositifs sont également à l'origine d'une perte d'argent considérable. Adopter une stratégie de climatisation organisée à l'échelle de la ville est indispensable pour maitriser les consommations d'énergies, pour contenir l'empreinte environnementale des bâtiments et contrôler leurs incidences financières. De multiples solutions ont été proposées pour réduire ce phénomène, et ont été publiées dans des études récentes [5][9][10][11]. Elles portent sur des systèmes de rafraîchissement passifs des surfaces bâties par l'utilisation de matériaux de revêtement perméables à l’eau permettant des échanges thermiques par évaporation. Sous le modèle des stratégies existantes dans la nature, des études tendent à réaliser des enveloppes adaptatives pour l'architecture [2][6][7]. En ciblant la transpiration comme l’une des stratégies de refroidissement utilisée par les mammifères, il s'agit ici d'essayer de transposer cette stratégie pour palier au contexte d’un environnement toujours plus chaud et frappé par le phénomène les ilots de chaleur urbains. L'objectif de l'étude est de réaliser des bétons poreux capables d'absorber de grandes quantités d'eau, de les stocker, et de les restituer en reproduisant le phénomène de transpiration lors de grandes chaleur. 2. Protocole expérimental La démarche consiste à substituer les granulats classiques d'un béton par des granulats de sépiolite, de silica gel et par des billes d'hydrogel afin d'augmenter la capacité de sorption d'eau des bétons et donc d'augmenter le volume d'évaporation. En effet, même si le béton est un matériau poreux, cette porosité (12 à 18%) reste intuitivement insuffisante pour obtenir un résultat sur l'évapotranspiration. Les granulats, principaux composants du béton (70% en poids) [15], ont des caractéristiques propres ; leur masse volumique, leur porosité à l'eau, leur résistance mécanique, leur granularité et leur forme dépendent des roches dont ils sont extraits et des procédés de fabrications utilisés pour les obtenir. Les propriétés même des granulats conditionnent alors les performances des bétons en terme de résistance mécanique et déterminent leurs qualités et leur aspect esthétique. Le choix des granulats absorbants est donc essentiel dans la composition des bétons.


2.1 Les matériaux choisis : des granulats super absorbants L'analyse d'études récentes [5][9][10][11] a permis d'identifier des matériaux présentant des capacités d'absorption signifiantes du fait de leurs caractéristiques intrinsèques ; notamment relatives à leur composition structurelle et à la taille de leurs pores. Outre ces propriétés de sorption, le choix de ces matériaux s'est porté sur la facilité à s'en procurer et leur bon marché. Les granulats super absorbants choisis sont de deux types : - naturel : la sépiolite est une argile - synthétique : le silica gel et l'hydrogel sont des polymères.

fig.1 : de gauche à droite, gravillons classiques, sépiolite, silica gel, hydrogel Sous forme de granulats, la sépiolite fig.1 est abondamment utilisé dans l'industrie comme absorbant des huiles et des eaux dans les usines. Elle est également utilisée pour constituer des litières pour animaux. Le pouvoir absorbant de la sépiolite est de 90%, +/- 10% d'après les fabricants. Une expérience que nous avons réalisé indique un pouvoir absorbant plus faible, de l'ordre de 70%. Polymère de formule Si(OH)4, le silica gel fig.1 se présente sous forme de granulats mis en sachets, utilisés pour la conservation des aliments secs, et la protection les équipements électroniques contre les moisissures. Son pouvoir absorbant est de 150% +/-10%. Un test de vérification réalisé par nos soins valide ce pouvoir absorbant. Enfin, l'hydrogel fig.1 est un polymère à charges présent en abondance dans notre quotidien : matériau des lentilles de contact, il se trouve également dans les couches pour bébés ou les protections hygiéniques féminines. La forme de l'hydrogel utilisé dans cette étude est celle de billes, utilisées pour les décorations florales. L'hydrogel présente des propriétés remarquables : c'est un polymère qui s'expanse dans l'eau [13]. Sec, sa structure est rigide ; hydraté le matériau gonfle en absorbant l'eau, et atteint jusqu'à 500 fois son poids initial [1]. Ce phénomène est réversible. Les fabricants de couches jetables indiquent que l'hydrogel contenu dans les couches retient 20 fois son poids en urine : 5g suffisent pour absorber 1L d'eau pure [12]. L'expérience démontre que lorsqu'il est immergé dans l'eau, ce matériau absorbe jusqu'à 400 fois sa masse sèche en eau pure en 2h30.


3. Réalisation des bétons poreux : béton poreux témoin, béton de sépiolite, béton de silica gel, béton d'hydrogel 3.1 Méthode expérimentale Afin d'expérimenter les capacités d'absorption et d'effectuer des comparaisons de performances des bétons, la première étape de la recherche expérimentale consiste à réaliser les bétons poreux : un béton poreux témoin, un béton de sépiolite, un béton de silica gel et un béton d'hydrogel. Pour cela, il a été nécessaire de conduire de nombreuses expériences pour ajuster la formulation des mélanges ; la proportion du mortier par rapport à la quantité et la nature des granulats utilisés, afin d'obtenir des bétons poreux de qualité. Les expériences présentées ont été menées dans les conditions de l'atelier de l'école d'architecture Paris Malaquais. Bénéficiant d'espaces de travails restreints, l'échelle des tests est par conséquent limitée, ce qui influence la taille des échantillons réalisés. L'atelier dispose d'un matériel limité mais comporte le nécessaire à la conduite appropriée des expériences. Il bénéficie d'un atelier de découpe de bois et profite de dispositifs développés par d'anciens étudiants. Le dispositif de réalisation des bétons est similaire pour les 4 types de bétons mis au point. On utilise systématiquement un ciment blanc blanc de marque Effix Design, et du sable fin traditionnel pour le mélange du mortier. Les granulats sont préalablement hydratés avant d'être incorporés au mélange de ciment, d'eau et de sable. On utilise une balance pour vérifier les proportions des matériaux incorporés au mélange. Une truelle, un seau et un gobelet sont nécessaires aux expériences. Chaque mélange est ensuite coulé dans un moule de coffrage vertical en mélaminé de dimensions 23.3 x 13 x 2,5 cm. On prend soin de tasser le mélange au fond du moule au fur et à mesure du coulage. Tasser sert à assurer un maximum de cohésion entre les gravillons, permettant au mortier de s'introduire dans un maximum d’interstices. Cette technique permet également d’optimiser le squelette granulaire du mélange. Pour le séchage les moules sont entreposés dans l'atelier dont les conditions atmosphériques, soit à une température de +/- 21°C avec 30 à 50% d'humidité relative. 3.2 Conception des mélanges des bétons poreux Dans le but de déterminer les proportions de granulats nécessaires à la réalisation des bétons poreux de chaque mélange, nous nous sommes systématiquement rapportés à la formule de compacité des bétons poreux classiques pour lesquels il est déterminé 35% de vides, soit :

0,35 =V vides

Vvides + V solides

En effet, la compacité du béton influence directement sa porosité. Cette formule a permis de déterminer la quantité de mortier à mélanger à une quantité connue de gravillons pour la réalisation des bétons de sépiolite, de silica gel et d'hydrogel.


Cette formule permet d'établir les dosages de mortier nécessaires au mélange des gravillons, dont la quantité et les propriétés sont connues : leur masse volumique, leur masse et donc leur volume. Ce calcul ne sera pas détaillé pour les futurs mélanges mais on précise que la démarche reste la même pour la réalisation du béton poreux témoin et les bétons de sépiolite, de silica gel et d'hydrogel.

Soit, 0,35 = V vides Vvides+V solides

Vvides(1-0,35)=0,35Vsolides

Vvides =(0,35/(1-0,35)) x Vsolides

avec Vsolides = mgravillons/ρgravillons

Le rapport eau/ciment du mortier est également primordial : il conditionne la viscosité du mortier au moment du mélange mais a également des conséquences sur les propriétés mécaniques du béton une fois durci. Le premier mélange permet de déterminer le rapport e/c le plus intéressant et de vérifier la formule de porosité. Le premier béton réalisé fait apparaitre la nécessité de diminuer le rapport e/c, le mortier étant trop liquide au mélange, et le béton obtenu pas assez poreux. Appuyés des résultats de nos expériences, nous déterminons dorénavant e/c=0,5. Le résultat obtenu Fig.2 valide ce rapport. Les expérimentations successivement réalisées ont permis de faire évoluer les modes opératoires de la production des bétons : la dimension des moules a été réduite suite à une conversation avec le spécialiste BEFUP Pascal Pinet, les surfaces intérieures du coffrage ont été recouvertes d'éponge afin d'absorber le laitier du béton fig.3. Cette technique, utilisée industriellement lors de la réalisation du MuCEM à Marseille, permet d'obtenir des surfaces rugueuses malgré un coffrage lisse. L'aspérité des surfaces des échantillons ici réalisés est importante car elle conditionne le comportement de l'eau sur les bétons, affectant notamment la capillarité.

fig.2: béton poreux témoin


fig.3 : modification des coffrages sous les conseils de Pascal Pinet, spécialiste BEFUP

3.3 Récapitulatif des mélanges des bétons de sépiolite, de silica gel et d'hydrogel La réalisation expérimentale des bétons de sépiolite, de silica gel et d'hydrogel a fait apparaitre les limites des déterminations théoriques des mélanges. En effet, l'application stricte de la formule précédemment énoncée a produit des bétons aux propriétés mécaniques faibles : les proportions obtenues produisant des bétons de faible qualité, trop friables. Ces calculs, en effet, tiennent compte de la masse volumique des gravillons mais ignorent la résistance mécanique intrinsèque des gravillons. Ces propriétés jouent néanmoins un rôle important sur les propriétés mécaniques finales des bétons. Des ajustements successifs ont du faire l'objet de nouveaux mélanges, de manière à obtenir des bétons non cassants et présentant une quantité maximale de granulats. Expérimentalement nous avons donc fait varier le rapport gravillons/mortier des mélanges. L'expérimentation empirique a permis d'approcher la formule idéale pour chaque échantillon. Le tableau Fig.4 résume les proportions finales des mélanges en fonction des masses des matériaux utilisés pour les bétons de sépiolite, de silica gel et d'hydrogel, en comparaison au béton poreux témoin.


fig.4: Récapitulatif des proportions utilisées pour les mélanges finaux des bétons en fonction de la masse des granulats et du mortier.*On définit ρ =1g/cm3car dans son état expansé l'hydrogel est composé de 98% d'eau. Les masses des gravillons ne sont pas comparables entre elles car elles représentent des volumes différents selon les gravillons. Par soucis de reproductibilité des bétons, elles sont néanmoins ici présentées. L'aspect esthétique, la granulométrie, la masse de chaque béton obtenu est très différent Fig.5. Le béton d'hydrogel présente une particularité : les billes d'hydrogel hydratées pendant le mélange se sont rétractées au séchage, en laissant imprimé leur état expansé dans le béton. Les cavités se sont remplies d'air, la bille réticulée restant capturée à l'intérieur.

fig.5 : Photographies comparatives des bétons, de gauche à droite béton poreux témoin, béton de sépiolite, béton de silica gel, béton d'hydrogel

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4. Tests d'absorption par immersion, d'adsorption d'eau par capillarité et d'évaporation sur les bétons super absorbants L'objectif de la recherche étant d'établir un béton capable d'absorber l'eau, de la stocker et de la relâcher sous l'effet de la chaleur, on cherche à établir des tests d'absorption, d'adsorption et d'évaporation sur les bétons précédemment réalisés. Il est attendu de ces tests de réaliser une comparaison entre les bétons à base de sépiolite, de silica gel et d'hydrogel. Cette comparaison permettra de sélectionner le béton le plus performant, capable de reproduire le phénomène d'évapotranspiration et permettant une application sur le bâti pour rafraichir les villes. Le test d'absorption par immersion et le test d'adsorption par capillarité vérifient les capacités à absorber l'eau et la stocker. Le test d'évaporation mesure la capacité à relâcher l'eau de ses pores dans des conditions simulant un réchauffement. 4.1 Détermination de l'absorption d'eau par immersion d'un béton durci Le test d'absorption d'eau par immersion des bétons durcis a pour objectif de déterminer les capacités des bétons à absorber et stocker l'eau. Cette expérience est notamment réalisée en laboratoire pour déterminer la qualité des bétons selon la norme NBN B 15-001:2004 [8]. La mesure de l'absorption d'eau par immersion permet de contrôler la porosité d'un béton durci. Exprimée en % de la masse sèche de l'éprouvette, elle est déterminée par immersion d'une éprouvette de béton dans l'eau par la mesure d'augmentation de la masse jusqu'à l'obtention d'une masse constante qui définit la saturation en eau du béton. [14]. De cette expérience il est attendu que les bétons reflètent les capacités d'absorption des granulats qui les composent. 4.1.1 Protocole expérimental Les éprouvettes sont sèches : elles sont réalisées depuis plus de 20jours, et ont été conservées à une température de 20+-2°C; exposées à l'air avec une HR=60+-2%. Leur volume et poids initial sont relevés au préalable. Les éprouvettes sont plongées dans des bassins d'eau à 20+-2°C pendant 24h, afin d'atteindre une masse humide constante Fig 6. Une pesée est faite au bout de 24h. Avant cette pesée, l'éprouvette est essuyée avec une peau de chamois humide de manière à la débarrasser de son eau superficielle.

fig.6 : Essai d'absorption d'eau par immersion


Ce premier test s'effectue sur le béton témoin, le béton de silica gel et le béton d'hydrogel. En effet, le béton de sépiolite est n'a pas été expérimenté car il ne présentait pas les conditions nécessaires au test, ayant été réalisé moins de 20jours avant l'expérience il n'est pas encore sec. 4.1.2 Résultats

fig.7 : Evolution de la masse des échantillons en 24h

fig.8 : tableau de résultats du test d'absorption d'eau par immersion des bétons


Les dimensions des échantillons sont variables. Dans le soucis d'établir une comparaison des performances d'absorption des différents bétons, le volume de tous les échantillons a été rapporté à celui d'1m3de béton. La masse m des bétons s'exprime en tonne. L'absorption représente le pourcentage d'augmentation de la masse des bétons par rapport à la masse initiale. 4.1.3 Analyse L'expérience d'absorption par immersion permet d'observer une augmentation spectaculaire de la masse du béton d'hydrogel par rapport à sa masse initiale Fig.7. Son coefficient d'absorption atteint 36,03% , contre 17,22% pour le béton de silica gel et 5,77% pour le béton poreux témoin. La courbe d'évolution de la masse en fonction du temps des bétons de silica gel et témoin suit une tendance similaire bien que le béton d'hydrogel absorbe 3 fois plus d'eau et soit 1,5 fois plus léger que le béton témoin. On note également que la masse finale du béton d'hydrogel saturé en eau rapporté à un volume d'1m3 reste toutefois moins importante que la masse sèche du béton poreux témoin Fig.8. Le béton poreux témoin est 1,25 fois plus lourd que le béton d'hydrogel mais absorbe 6 fois moins d'eau. Le test d'absorption par immersion des bétons a démontré que le béton d'hydrogel capte et stocke une plus grande quantité d'eau que les autres bétons. Il démonte aussi que les capacités de sorption des bétons sont effectivement dépendantes des propriétés des granulats qui les composent. Toutefois, le test par immersion ne reflète pas les conditions réelles d'hydratation des bétons. Ayant vérifié les capacités d'absorption d'eau des bétons par immersion, nous n'avons pas démontré l'efficacité des bétons à la sorption d'eau dans des conditions proches de la réalité. En effet, en émettant l'hypothèse d'une applicabilité sur les surfaces bâties, il est nécessaire de mener une expérience complémentaire d'adsorption par capillarité. 4.2 Test d'adsorption d'eau par capillarité Dans les conditions réelles d'application, l'hydratation des bétons s'effectue sur la face des échantillons. L'eau rencontre alors la surface extérieure d'un béton. Le test d'adsorption d'eau par capillarité est nécessaire dans l'optique de vérifier les mouvements capillaires dans les pores des bétons réalisés. Cette expérience doit démontrer que l'eau pénètre et circule sans obstacle à travers les pores du béton. Il s'agit aussi d'examiner, en comparaison aux capacités d'absorption précédemment évaluées, les comportements à l'adsorption des bétons témoins, de sépiolite, de silica gel et d'hydrogel.


4.2.1 Protocole expérimental L'adsorption est déterminée par pesées successives de bétons dont seules les faces sont exposées à l'eau. Préalablement découpés pour obtenir des volumes d'échantillons identiques, ils sont pesés dans leur état sec M1. Entreposés à l'atmosphère d'une salle intérieure, de température moyenne de 21°C et 50% d'humidité relative. Ci-dessous Fig. 9, les 4 bétons, de gauche à droite, béton poreux témoin, béton de sépiolite, béton de silica gel et béton d'hydrogel.

fig.9 : échantillons pour le test de capillarité

fig.10 : Essai de pénétration d'eau par capillarité

La face exposée est immergée dans l'eau sur une profondeur de 3mm Fig.10. On effectue des pesées toutes les 5 min dans la première heure d'expérience puis on espace les pesées à 1h d'intervalle par la suite. A la fin de l'expérience on vérifie leur masse à l'état saturé M3, la quantité d'eau totale adsorbée par l'échantillon M3-M1 représente la porosité accessible à l'eau. 4.2.2 Résultats

fig.11 :

Test d'adsorption par capillarité,

tableau de résultats


fig.12 : Test d'adsorption par capillarité, évolution de la masse des échantillons en fonction du temps 4.2.3 Analyse Cette expérience permet d'observer l'augmentation de la masse des bétons en fonction du temps Fig 12 . On observe le comportement à l'eau des bétons selon une tendance commune : ils absorbent beaucoup d'eau dans les premières minutes de l'expérience ; l'adsorption est considérablement ralentie dès 10min d'expérience. En 6h les masses sont constantes, les bétons ont atteint leur saturation en eau. Ce résultat interroge l'efficacité des bétons à capter l'eau dans des conditions réelles : en seulement 20 min de pluie intense les bétons auraient atteint leur capacité maximale de stockage d'eau. L'adsorption effective des bétons reflète les résultats obtenus dans le test d'absorption par immersion : le béton poreux témoin présente une adsorption de 5,62% (contre 5,77% Fig 8) Fig 11 ; le béton de silica gel une adsorption de 38,64% (contre 36,03% Fig 8). On peut ainsi conclure que l'adsorption au sein de ces échantillons est efficace. La courbe d'évolution de la masse de l'échantillon de silica gel démontre une augmentation de la masse plus ample que pour les autres échantillons. Rapporté à des volumes équivalents, les échantillons font apparaître le béton de silica gel comme celui le plus efficace à l'adsorption par capillarité.

400

450

500

550

600

650

700

750

800

0 5

min

10

min

15

min

20

min

25

min

30

min

35

min

40

min

45

min

50

min

55

min

1h

2h

3h

4h

5h

6h

Mas

se (g

)

Temps

Béton poreux

Béton sépiolite

Béton silica gel

Béton hydrogel


L'expérience d'adsorption par capillarité présente des résultats qui mettent également en cause l'efficacité du béton d'hydrogel. Le béton d'hydrogel quant à lui admet une adsorption de 23,51% (contre 36,03%). Cette chute des capacités du béton d'hydrogel peut s'expliquer par différentes hypothèses : soit le béton est moins performant au test de capillarité ; soit une dégradation du béton qui a perdu des billes, est à l'origine des faibles résultats ou soit les résultats du test par immersion précédemment établis sont erronés. Ayant pour objectif premier de vérifier les mouvements capillaires dans les pores du béton, et cherchant à déceler les raisons de la baisse d'efficacité du béton d'hydrogel à ce test, nous avons décomposé par photographie le test de capillarité Fig.13.

fig.13 chronophotographie du béton d'hydrogel soumis au test de capillarité

à t=15min, t=20min et t=30min L'analyse par chronophotographie du béton d'hydrogel permet de valider le test d'adsorption par capillarité car elle démontre que l'hydratation par capillarité à l'intérieur du béton est effective. Les tâches isolées apparues à t=15min sont le résultat de la pénétration de l'eau à l'intérieur des bétons par l'intermédiaire des billes. Ce n'est pas la matrice cimentaire qui a permis la circulation de l'eau par capillarité mais les billes qui se sont hydratées entre-elles. Cette expérience démontre que l'eau pénètre et circule sans obstacle à travers les pores du béton d'hydrogel. Afin de relativiser les résultats obtenus, nous avons réalisé une comparaison des perméabilités des bétons, proposée par le Laboratoire des Matériaux de Construction de l'EPFL Fig.14. D'après le rapport d'essai de l'EPFL [3] , on peut admettre que la masse d'eau adsorbée par une éprouvette au temps t est proportionnelle à la racine du temps selon la loi :

Meau = w x S x √t, avec Meau : masse d'eau adsorbée, w : coefficient d'adsorption, S : section en contact avec l'eau. Le coefficient d'adsorption d'eau par capillarité w est calculé d'après l'eau adsorbée entre 1 et 24h.


fig.14 : échelle proposée par le laboratoire des matériaux de construction (LCM), permettant d'établir la perméabilité en fonction du coefficient d'adsorption W [3]

fig.15 : Tableau de résultats du test de capillarité La synthèse des résultats Fig15 du test d'adsorption par capillarité fait finalement apparaitre que malgré les résultats décevants du béton d'hydrogel, tous les bétons ; de sépiolite, de silica gel et d'hydrogel, sont performants. D'après la classification des bétons poreux proposée par le Laboratoire des Matériaux de Construction (LMC) de l'EPFL, ils appartiennent tous à la classification des bétons où la porosité est "très forte" tandis que le béton témoin se classe dans la catégorie de porosité "moyenne". 4.3 Test d'évapotranspiration des bétons super absorbants L'aboutissement de la recherche expérimentale consiste à vérifier qu'il se produit un échange thermique lors de l'évaporation des grandes quantités d'eau contenue dans les pores des bétons d'hydrogel, de silica gel et de sépiolite. La capacité à transpirer permet aux mammifères de vivre sous des températures dépassant les 25°C grâce au réglage de la température de leur corps : de l'eau est relâchée par les pores de la peau, permettant à la sueur d’évacuer l’excès de chaleur dans l’air. Au contact de l'air ambiant, l'eau en surface de la peau s'échappe sous forme de vapeur. Les molécules restantes en phase liquide s’agitent moins, le liquide se refroidit. Cette eau rafraichit le sang près de la surface et la température corporelle diminue. [17] L'expérience doit permettre de mettre en évidence la capacité des bétons à ralentir les transferts de chaleur entre un environnement où a la température augmente et un espace séparé par les bétons, et en somme à reproduire l'évapotranspiration. 4.3.1 Protocole expérimental Pour simuler des conditions réelles on utilise une boite de test réalisée par Nicolas Dubois en 2014 [4] Fig.17. Elle se compose de 3 compartiments : un espace de chauffe où est placée une résistance électrique de 400W contrôlée par un thermostat thermostatique ; deux compartiments annexes de test, séparés du compartiment de chauffe par un emplacement réservé à l'insertion des échantillons de 25x25x2,5 cm. La température de chaque compartiment est mesurée par des capteurs thermocouples insérés dans la boite mesurant la température de chaque compartiment. L'utilisation


de ce dispositif nécessite de sélectionner uniquement 2 bétons. Nous avons donc choisi de concentrer les tests sur les bétons les plus performants aux tests d'absorption et d'adsorption : le béton d'hydrogel et le béton de silica gel. Les bétons entreposés dans la boite de test sont saturés en eau.

fig.17: Boite de mesures des échanges thermiques [4] Des premiers essais font apparaitre la nécessité d'entrouvrir la boite hermétique. En effet, l'herméticité provoque une augmentation de température à l'intérieur de la boite. Pour que le refroidissement soit possible, il faut que le phénomène d'évaporation ait lieu. Or l'humidité relative d'une masse d'air varie avec la température de l'air : plus l'air est chaud, plus il peut contenir d'eau sous forme vapeur. La saturation en eau dans l'atmosphère dans boite, soit une humidité relative de 100%, inhibe le phénomène d'évaporation. On ajoute également un ventilateur au dispositif afin d'aider à l'évacuation de l'humidité dans la boite. 4.3.2 Résultats


fig.18 : Evolution de la température des échantillons en fonction du temps Les résultats de deux mesures sont présentés sur le même graphique Fig.18 : l'évolution des la température dans les conditions où les bétons sont secs d'une part et où les matériaux sont hydratés d'autre part. Les courbes du graphique permettent d'affirmer qu'en absence d'hydratation, les matériaux suivent une augmentation de température progressive et similaire. Lorsque les matériaux sont hydratés en revanche, l'évolution des températures diffère selon les matériaux. Alors que la température relevée derrière le béton de silica gel augmente puis stagne à 31°C, soit 10°C en dessous de la température extérieure, le béton d'hydrogel affiche une tendance à la baisse : la température diminue derrière le béton d'hydrogel passant de 28°C à 24°C en 40 minutes, avec une brusque diminution de température à t=2240s soit t=37min, soit 16°C en dessous de la température extérieure. 4.3.3 Analyse Ce test permet d'observer des échanges effectifs de température par évaporation. D'une part, le béton de silica gel permet de maintenir une température constance dans l'atmosphère du compartiment qu'il contrôle. Le ralentissement de l'augmentation de température par évaporation de l'eau contenue dans les granulats de silica gel est prouvé. D'autre part, le béton d'hydrogel permet de faire diminuer la température de l'atmosphère qu'il contrôle. Utilisé en paroi entre deux milieux, il est capable d'établir un écart de 16°C entre deux atmosphères. Plus qu'un ralentissement, un rafraichissement de l'atmosphère par évaporation de l'eau contenue dans les billes d'hydrogel est prouvé. L'analyse de cette expérience valide l'hypothèse de la recherche : il est possible de créer un béton super absorbant et évapotranspirant capable de rafraichir son environnement proche. Ici expérimenté dans des conditions reproduisant des conditions possibles de son utilisation, le béton d'hydrogel inséré dans un contexte bâti est, par extension, vraisemblablement capable de réduire les phénomènes d'îlots de chaleur urbains.

4.4 Conclusions expérimentales Il apparait nécessaire de poursuivre les recherches à propos des bétons d'hydrogels qui offrent, comme cette étude le démontre, des résultats remarquables tant dans l'absorption de l'eau qu'il permet que dans le phénomène de rafraichissement qu'il provoque. Les bétons de sépiolite et de silica gel sont également des pistes à soutenir. Il s'agit néanmoins de nuancer l'enthousiasme de ces résultats ; il faut rappeler que les expériences n'ont pas été réalisées dans les conditions optimales d'un laboratoire professionnel, permettant de contrôler tous les paramètres influençant des phénomènes d'absorption, d'adsorption et d'évaporation.


5. Conclusion de la recherche L'étude cherchait à développer des bétons évapotranspirants pour le contrôle thermique du bâti. Elle met en évidence la capacité des bétons de sépiolite, de silica gel et d'hydrogel à absorber de grandes quantités d'eau, en absorbant jusqu'à 6 fois plus d'eau qu'un béton poreux classique. Le béton d'hydrogel obtenu est également capable de rafraichir une atmosphère en établissant un écart de 16°C par rapport à un environnement chaud. Répondant à des stimuli externes comme la pluie, le béton d'hydrogel est capable de stocker un maximum d'eau et de la restituer finalement sous l'effet de la chaleur, reproduisant le phénomène d'évapotranspiration et limitant ainsi temporairement les effets d'ilots de chaleur. Développer des techniques de climatisation passive des bâtiments est un enjeu actuel important pour limiter la consommation d’énergies dans nos villes mais aussi pour assurer le confort de chacun. D’autres bénéfices non évoqués peuvent être aussi considérés par l’application d’un matériau poreux qui retient l’eau pendant des pluies intenses : l’augmentation de l’isolation thermique du bâtiment et l’évacuation plus aisée des polluants contenus en surface. De plus, la dégradation des matériaux de toit par les hautes températures se verrait réduite tandis que l’humidité relative en hiver pourrait se modifier. Dans certains cas le climat rendu plus humide permettrait de rendre l'air plus sain[5]. Il est urgent de trouver des solutions simples pour palier aux changements climatiques de notre environnement ; « cities are part of the climate change problem, but they are also a key part of the solution » [6]. 6. Bibliographie [1]AHMED E.N., 2015, “Hydrogel : preparation, characterization, and applications : a review”, Journal of Advanced Research, n°6, 105-121 [2]BADARNAH KADRI L, 2012 “Towards the living envelope, Biomimicry for building envelope adaptation”, these de doctorat en Architecture, Delft, Université Aula TU Delft [3]CONCIATORI, 2005, "Essai de capillarité à basses températures appliqué à des bétons de différentes perméabilités", thèse de doctorat au laboratoire du MCS, Lausanne, Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne [4]DUBOIS.N, 2014, "Renforcement de l'inertie thermique par les matériaux à changement de phase", mémoire d'étudiant en Architecture, Paris, Ecole Nationale Supérieure d'architecture Paris Malaquais [5]KARAMANIS D. et al., dec 2013 “Cooling roofs through low temperature solar-heat transformations in hydrophilic porous materials”, Advances in building energy research, vol 7, n°2, 235-243 [6]LOPEZ M. et al., 2015 “Active materials for adaptive architectural envelopes based on plant adaptation principles”, Journal of Façade design and engineering 3, 27-38


[7]LOPEZ M. et al, 2013 “Architectural envelopes that interact with their environment”, Conference paper, Gijon Polytechnic School of Engineering, University of Oviedo, Spain [8]PLOYAERT, C, 2009 Durabilité des bétons par la maitrise de l'absorption d'eau, Technologies, bulletin Febelcem [9]ROTZETTER A.et al., oct 2012 “Thermoresponsive Polymer induced sweating surfaces as an efficient way to passively cool buildings”, Advanced Materials , volume 24, n°39 [10]VARDOULAKIS E. et al, sept 2011, “Moisture Sorption Properties of modified porous clays for roof evaporative cooling applications”, International Journal of Ventilation, vol 10 [11]VARDOULAKIS et al, 2012 “Surface Solar cooling through water vapor desorption from photo-responsive sepiolite nanocomposites”, Energy Conversion and Management, n°63, 118-122. Ressources internet : [12] ENSAIT Gent, Matériaux textiles fonctionnels et intelligents, Hydrogels, [en ligne] In site internet de l’Ecole d’Ingénierie et d’innovation textile de Gent, Belgique, 2012. Explications hydrogel. site disponible sur : http://campus-douai.gemtech.fr/pluginfile.php/13740/mod_resource/content/0/CH2_fr_mai_2013/co/cours_ch2_4_1_fr.html (page consultée le 5/01/2016) [13] RATHEE A, MITROFANOVA E, SANTAYANON P, projet Hydroceramic, Digital Matter studio, [en ligne] In site internet Institute for Advanced Architecture of Catalonia, Espagne, juin 2014 site disponible sur : http://iaac.net/research-projects/self-sufficiency/hydroceramic/ (page consultée le 12/01/2016) [14] Infociment, Durabilité des bétons par la maitrise de l'absorption d'eau, Technologie 2009, [en ligne] (consulté le 15/12/2016), disponible sur : http://www.febelcem.be/fileadmin/user_upload/dossiers-ciment-2008/fr/T2-Fr-durabilite-des-betons-absorption-eau.pdf [15] Infociment, Les granulats pour béton, 2004, [en ligne] (consulté le 15/12/2016) disponible sur : production- [16] Rapport météo France, 2013 [en ligne] (consulté le 18/01/2016) http://www.meteofrance.fr/documents/10192/22603710/brochure_MF_APC_L_%C3%AElot_de_chaleur_urbain_%C3%A0_Paris_2013.pdf [17] Video phénomène de transpiration des mammifères, [en ligne], (consultée le 18/01/2016) vidéo disponible sur : http://www.maxisciences.com/sueur/pourquoi-transpire-t-on_art33168.html

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Développement de bétons évapotranspirants pour le · PDF filequantités d'eau, de les stocker, et de les restituer en reproduisant le phénomène de transpiration lors de grandes