Etude expérimentale du béton de chanvre à base d’amidon

7/22/2019 Etude exprimentale du bton de chanvre base damidon

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Etude exprimentale du bton de chanvre base damidon

B.S.Umurigirwa1, A.Gacoin

2, A.Li

2, C.Maalouf

1, T.H.Mai

1,

M.Rebay1

1GRESPI/Thermomcanique, Moulin de la Housse, 51687 Reims Cedex 2

2GRESPI/ Gnie Civil, Moulin de la Housse, 51687 Reims Cedex 2

RSUM. Afin datteindre les objectifs fixes dans le cadre du protocole de Kyoto, noussommes appels contribuer au dveloppement durable en rpondant nos besoins duprsent sans compromettre lavenir. Lutilisation de nouveaux produits et services co-efficients dans le secteur du btiment entre dans le cadre du dveloppement durable. Dansce contexte, lutilisation des parois fibres vgtales est une solution permettant de rduire

les consommations nergtiques tout en utilisant des produits cologiques faible nergiegrise. Dans ce travail, nous dveloppons un nouveau matriau vgtal base de fibres dechanvre et dun liant base damidon de bl.Pour optimiser la formulation du point de vue

stabilit mcanique, des essais de compression, de traction et de flexion ont t effectus.Une tude prliminaire des proprits thermique et acoustique a t galement effectue.

ABSTRACT. Sustainable development has become a subject of major attention indeveloped and developing countries. To build sustainable and affordable housing for thefuture with vegetable materials will be an advantage to create the links between agricultureand construction industries. In this work, we will study a mixture of hemp-starch made withhemp shives as natural fiber mixed with wheat starch to make a green composite.Mechanical properties were tested on different composition of binder/hemp ratios to optimizethe formulation which can offer a mechanical stability of the envelope. Thermal and acousticproperties of the material were evaluated and compared to the lime hemp concrete results toprove his performances.

MOTS-CLS: bton de chanvre, proprits mcaniques, conductivit thermique, coefficientdabsorption acoustique.

KEY WORDS: hemp concrete, mechanical properties, thermal conductivity, soundabsorption coefficient.


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XXXe Rencontres AUGC-IBPSA Chambry, Savoie, 6 au 8 juin 2012 2

1. Introduction

Le domaine du btiment en France est responsable de 43% des consommations

nergtiques et de 25% des missions de gaz effet de serre totales. Lapplication de

la rglementation thermique 2012 aux btiments neufs, ne permettra pas seule,

datteindre les objectifs fixs dans le cadre du protocole de Kyoto, savoir diviser

les missions de gaz effet de serre par 4 dici 2050. Dans ce contexte, nous devons

contribuer au dveloppement durable pour rpondre aux besoins du prsent sans

compromettre lavenir. Il semble donc intressant de proposer un matriau de

construction qui fasse le lien entre le domaine du btiment et les agro-ressources

disponibles dans notre rgion.

Cultiv en Champagne Ardenne, le chanvre est une plante qui pousse dans les

zones climat tempr, sans engrais, ni traitement, renomm pour la qualit de ses

fibres. Les recherches effectues jusquici sur le bton de chanvre base de liants

minraux (chaux ,ciment) [BRI09], [CER05], [ELF07], [LI06], [SED07] , [EVR09],

ont permis de dterminer les proprits physiques du matriau. La grande quantit

d'air emprisonne entre les particules fournit une faible conductivit thermique

tandis que lapparence de la surface poreuse confre au matriau une bonne

absorption acoustique. Il est galement considr comme rgulateur hygrothermique

et assure le confort dans les locaux dont les parois sont conues en bton de chanvre

[TRA10].

Le bton de chanvre classique a des proprits intressantes mais lutilisation

dun liant minral (chaux ou ciment) nous expose des problmes

environnementaux tels que lpuisement des ressources naturelles (extraction du

calcaire,..), rejet de CO2dans lair(calcination du CaCO3) do lide de concevoir

un matriau faible nergie grise et 100% vgtal.

Dans ce travail, ltude porte sur un agro-composite base de fibres de chanvre

et dun liant vgtal base damidon de bl. La formulation du liant optimal suivie

dune analyse du comportement mcanique, thermique et acoustique du matriau

feront lobjet de cette tude. Les travaux sont effectus dans le cadre dun projet

CPER 2011-2014 en partenariat avec lentreprise Btiment associ (Muizon 51) et

lentreprise Chamtor (Bazancourt 51).

2. Matriaux

Les fibres de chanvre, appeles chnevottes (dont la taille varie de 5 20 mm)

sont choisies en tant que granulat vgtal.Les fibres sont intgres dans un liant vgtal sous forme dune colle base

damidon de bl dissout dans leau. Lamidon est un mlange de deux familles

dhomopolymres lis par des liaisons glucosidiques : lamylose et lamylopectine.

Le liant sert maintenir les fibres ensemble, stabiliser la structure composite et

assurer ainsi la transmission des forces de cisaillement entre les fibres. Le Tableau 1

suivant donne quelques proprits des matriaux utilises.


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Etude exprimentale du bton de chanvre base damidon. 3

Tableau 1.Proprits des matriaux utiliss

Amidon Masse vol. apparente (kg/m3) 565

Chnevotte Masse vol. apparente (kg/m3) 126.6

Largeur (mm) 1220%

Rsistance la traction (MPa) 900 [BEA90]

Module dlasticit (GPa) 34 [BEA90]

3. Recherche du liant optimale

La difficult dans la conception de notre agro-composite est souvent lie

lexistence dune comptition deau entre les fibres et le liant se prsente. Pour

rpondre cela, le liant prpar part, doit contenir autant damidon que possible et

une teneur en eau adquate pour former un liant optimal en vitant ainsi un mlange

de chnevotte humide et de poudre damidon sche.

Pour avoir les proportions optimales deau et damidon dans le liant, les valeurs

dune part de la viscosit cinmatique et dautre part la tension superficielle du liant

doivent tre maximales, rciproquement pour que la teneur en amidon soit adquate

(pouvoir dadhsion du liant) et pour que le liant ait le pouvoir de stalersur les

fibres. Diffrentes compositions de liants ont t tudies en faisant varier le rapport

A (masse damidon)/E (masse deau). Le rapport A/E augmente de 0 14 (x10-2

). Le

Tableau 2 montre la viscosit cinmatique et la tension de surface caractristiques

des liants tudis.

Tableau 2 :Etude de la formulation optimale du liant A/E.

Rapport A/E(x10-2

)

A: masse damidon et

E: masse deau

Masse

volumique

apparente

(kg.m-3

)

Viscosit

cinmatique

(103Pa.s)

Tension

superficielle

(x10-3

N/m)

0 997.0 1.0 69.8

3 1008.0 1.1 50.0

6 1023.0 2.4 51.0

10 1033.0 2.2 45.2

14 1043.0 1.8 45.1

En sappuyant sur ces rsultats, on a constat que les compositions ayant une

viscosit cinmatique 2x10-3 Pa.s et une tension superficielle 45x10-3 N.m-1 ont

le pouvoir de staler sur les fibres et un pouvoir collant ncessaire pour permettre le

rapprochement des fibres imbibs de liant. Ces deux critres sont vrifis pour un

rapportA/Equivalent 6.10-2, soit 60g damidon pour 1 litre deau.

Dans la partie suivante de cette tude, le rapport A/E(A/E=6.10-2) reste constant.En revanche, le rapport massique Liant/Chnevotte L/C sera variable afin de


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dterminer linfluence du taux de liant sur les caractristiquesmcaniques de lagro-

composite.

4. Les proprits mcaniques

Aprs avoir dtermin la composition optimale du liant, des chantillons

normaliss aux dimensions 20x20x20 cm pour des essais de compression et

10x10x40 cm pour des essais de flexion quatre points sont raliss. Cinq

compositions sont tudies en faisant varier le rapport massique L/C.L reprsente laquantit de liant et C celle de la chnevotte. Ce rapport augmente de la faonsuivante : 2, 2.6, 3.3, 4.2, 5.2. Nos chantillons sont compacts sous une pression de

0.25MPa et sches dans une chambre climatique stabilise 20C et 50%dhumidit relative jusqu la stabilisation de leur masse entre 40 et 50 jours.

La Figure 1 montre (a) une vue macroscopique dun chantillon dun agro-

composite L/C=3.3 (diam.=80mm)aprs schage, (b) un grossissement x200 surdeux fibres vgtales. Cette vue permet de visualiser le bon recouvrement des fibres

de chnevottes par le liant base damidon.

(a) (b)Figure 1: (a) Image macroscopique dun chantillon (b) Gross. x200 chnevottes

lies entre elles par lintermdiaire dun liant base damidon de bl.

Des essais de compression et de flexion quatre points sont raliss vitesse

constante : respectivement 0,1 mm.s-1

et 0,05 mm.s-1

sur une machine de traction

Instron 8800 (Grove City, Etats-Unis). En raison du processus de fabrication, les

fibres de chnevotte ont tendance sorienter dans des plans parallles par rapport

au plan de compactage. Les essais de compression et de flexion sont toujours

effectus perpendiculairement aux orientations privilgies des fibres. Ces essais

permettent de dterminer pour toutes les compositions : le module dYoung, lecoefficient et de Poisson le rsistant la traction par flexion.

Le module dYoung est dfini par la pente de la partie linaire de la courbe de

compression. La rsistance la traction est dtermine par la relation: =(3.F)/(b.h), avec F: charge (N), b: paisseur (100 mm) et h: hauteur (100mm). Lecoefficient de Poisson est mesur sur certains chantillons laide des LVDT

(transformateur diffrentiel variable linaire) perpendiculaires la direction de

chargement.


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Toutes les proprits mcaniques mesurestelles que la masse volumique(Figure

2), le coefficient de Poisson (Figure 3), le module dlasticit (Figure 4), la

rsistance la traction par essai de flexion (Figure 5) augmentent en fonction du

rapportL/Cdans un intervalle de 2 L/C 5,2. Ces essaispermettent lobtention delois de comportement caractristiques des agro-composites tudis, valables dans

notre domaine dtude (Equations [1-4])

L=16.3 +156.7

C [1]

= 0,04 + 0.09L

C [2]

E=0.08 +0.39L

C [3]

0,286

tf=0.014e

L

C [4]

On constate que la masse volumique moyenne (Figure 2) augmente de 180 240

kg/ m3sous forme de lquation [1]. Notons que la valeur moyenne dun bton de

chanvre chaux utilis pour le remplissage des murs tend vers 330kg/m3

et que la

masse volumique de notre composite chanvre-amidon est plus leve que la masse

volumique des matriaux disolation classique. A lorigine de la courbe L/C=0, lamasse volumique de la chnevotte gale 160 kg/m

3lorsquil est compact sous

pression de 0.25 MPa. Il est intressant de noter que la compression de nos agro-

composites induit une augmentation continue de la contrainte jusqu lobtention de

grande dformation (>25%) en vitant une rupture brutale. Ce phnomne de

compactage est similaire celui observ dans certains matriaux trs poreux sous

compression ou contrainte d'indentation [BRI09], [TRA10]. Il nest donc pas

possible denregistrer une rupture par compression.

0

50

100

150

200

250

300

350

0,00,61,21,82,43,03,64,24,85,46,0

:Massevol.(kg.m

-3)

L/C

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

0,40

0,45

0,50

0,00,61,21,82,43,03,64,24,85,46,0

n:Coef.dePoisson

L/C Figure 2 Masses volumiques en

fonction du rapport L/C exprim enmasse

Figure 3 Coefficient de Poisson enfonction de L/C exprim en masse.


6/10


0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

1,20

0,00,61,21,82,43,03,64,24,85,46,0

E:Moduled'Young(MPa)

L/C

0,00

0,02

0,04

0,06

0,08

0,10

0,12

0,00,61,21,82,43,03,64,24,85,46,0

tf(MPa)

L/C Figure 4 Rigidits en fonction durapport L/C exprim en masse

Figure 5 Courbe typique de tf=(l)pour un rapport L/C=2 exprim enmasse

Le coefficient de Poisson (Figure 3) augmente en fonction du rapport L/Csousforme de lquation [2]. Avec une teneur en liant faible, le matriau est beaucoup

plus poreux et prsente un comportement anisotrope avec n=0.2. Une teneur

importante en liant diminue la porosit et le coefficient de Poisson tend vers 0.3.

Le module de Young (Figure 4) augmente avec la teneur en liant de 0.5 0.9MPa suivant lquation [3]. Ces rsultats sont de 5 10 fois plus petits par rapport

aux rsultats obtenus dans des btons de chanvre/chaux. La diffrence rside

principalement dans une densit beaucoup plus faible pour bton de chanvre/amidon,

en raison de la forte teneur en chanvre.

La Figure 5 montre la variation de contrainte en traction par flexion en fonction

du rapportL/C. Cette variation nest pas linaire. La contrainte dpend fortement durapport L/C. Les rsultats exprimentaux permettent dtablir une quationempirique [4]. Dans notre cas, la composition ayant un rapport L/C=5.2 donne unemeilleure rsistance mais avec une grande dispersion dans les rsultats due la taille

des pores, leur forme et lagencement spatiale des fibres. Cela implique que cette

composition nest pas viable pour lutilisation industrielle. La rsistance maximale

moyenne la traction par flexion proche de 0.1 MPa est comparable aux valeursobserves dans la littrature pour les btons chanvre/chaux. Toutefois, Une teneur

importante en liant sature en eau lagro-composite ce qui se traduit par un schage

trop lent du matriau et une dispersion des rsultats significative. En effet, la grande

sensibilit de la chnevotte leau aura tendance perturber ladhrence entre les

fibres et la matrice ainsi que le schage du bton.


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5. Les proprits thermiques et acoustiques

La deuxime partie de ce travail est une tude prliminaire sur les compositions

suivante :L/C=2,L/C=2.6 etL/C=3.3, dans le but de dterminer les caractristiquesthermiques telles que la conductivit thermique, la capacit calorifique, la diffusivit

et leffusivit thermique ainsi que le coefficient dabsorption acoustique pour la

compositionL/C=3.3. Les mesures de laconductivit thermique ont t faites par lamthode de la plaque chaude suivant les normes ISO 8301, DIN EN 13163 sur des

chantillons schs et compares celle du bton chanvre-chaux. Troischantillons

pour trois compositions (9 prouvettes) ayant comme dimensions 20*20*3 cm sont

tests. Le flux de chaleur traversant lchantillon a t mesur par un capteur de flux.

On en dduit la conductivit thermique du matriau en passant par lquation [5] de

Fourrier.

.

Vk N

T e

[5]

Test le gradient de la temprature, e: paisseur de lchantillon, N: facteur decalibrage qui lie le signal de tension du capteur au flux, k: conductivit thermique delchantillon et V: la tension du capteur proportionnelle la densit du flux qui

traverse lchantillon. La capacit thermique est mesure sur trois chantillons des

trois compositions galement avec un calorimtre bien isol. Les rsultats des

mesures de conductivit thermique et de capacit thermique sont prsents dans le

Tableau 3 et la Figure 6. Linertie thermique est un facteur important pour valuer le

confort thermique. On lvalue en fonction de la diffusivit et leffusivit thermique

de lagro-composite quon montre dans le Tableau 3 et la Figure 7. Ces deux termes

sont calculs en fonction de la conductivit thermique k, de la masse volumique et la

capacit thermique (Cp) du matriau par les quations [6] et [7]:

p

ka

C

[6]

pb k C

[7]

Tableau 3:Proprits thermique de lagro-composite en fonction du rapport L/C.

Rapport L /C(Rapport massique)

Conductivi

t thermique(10

-2W.m

-1.K

-

1)

Capacit

thermique

(J.kg-1.K-1)

Diffusivit

thermique

(10-7.m.s-1)

Effusivit

thermique

(W /m.K)

2 7.0 1692.3 2.7 135.9

2.6 7.7 854.9 5.5 103.5

3.3 8.2 782.4 6.4 102.4

Bton Chaux chanvre 11.0 1000.0 1.5 269.8


8/10


0200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

0,000,01

0,02

0,03

0,04

0,05

0,06

0,07

0,08

0,09

0,10

1 ,0 1 ,5 2 ,0 2 ,5 3 ,0 3 ,5 4 ,0

C

apacittherm.

(J.kg-1.K

-1)

Conduc.therm.

(W.m-1.K-1)

L/C

Conduc. therm.

Thermal capacity

030

60

90

120

150

180

210

240

270

300

01

2

3

4

5

6

7

8

9

10

1 1,5 2 2,5 3 3,5 4

Effusivittherm.(

W

/m.K)

Diffusivittherm.(

10-7.m

.s-1)

L/C

Diffus ivit therm.

Effusivit therm.

Figure 6 Conductivit et capacitthermique du composite en fonction durapport L/C

Figure 7 Diffusivit et effusivitthermique du composite en fonction durapport L/C.

Le Tableau 3, montre la valeur de la conductivit thermique du bton de chanvre-

chaux gale 0,11 W. m-1

. K-1

. Cette valeur est suprieure celles de lagro-

composite chanvre-amidon, do lagro-composite tudi est un bon isolant

thermique par rapport au bton chanvre-chaux. La Figure 6 montre que la

conductivit thermique de lagro-matriau augmente avec le rapportL/C.

La capacit thermique (Tableau 3) mesure pour les trois compositions dont le

rapport de 2 L/C 3,3 varie de 1690 780 J.kg-1. K-1. Notons que l'augmentationdu liant conduit une diminution la capacit thermique.

Les formules [6] et [7] permettent de calculer la diffusivit et leffusivit du

matriau, soit la capacit du matriau emmagasiner ou restituerla chaleur. Daprs

la Figure 7, la diffusivit de notre bton chanvre-amidon augmente avec le taux du

liant. Notons que plus la valeur de diffusivit thermique est faible, plus le flux de

chaleur met du temps traverser lpaisseur du matriau. Leffusivit (Figure 7) de

notre bton diminue avec la quantit de liant. Plus leffusivit est leve, plus le

matriau absorbe de lnergie sans se rchauffer.

Le coefficient dabsorption acoustique reprsente la capacit du matriau

absorber lnergie dune onde sonore. Ce chiffre varie de 0 1. Plus il est proche de

1, plus le matriau estabsorbant. La mesure du coefficient dabsorption acoustiqueest ralise selon la norme DIN EN ISO 3382. Les trois chantillons de dimension

0.5x0.68x3.5cm dont le rapport L/C=3.3 sont placs dans une chambre derverbration. Le coefficient dabsorption acoustique de lagro-composite mesur est

compar celui du bton chanvre-chaux sur la Figure 8.


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Coefficientd

absorption

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

100

160

250

400

630

1000

1600

2500

4000

Frquence (Hz)

Figure 8Le coefficient dabsorption acoustique en fonction de la frquence.

Daprs la Figure 8, on remarque que le coefficient dabsorption acoustique

augmente fortement quand la frquence varie de 100 250 HZ. Pour des frquences

comprises entre 630 et 5000 HZ, le coefficient dabsorption acoustique tend vers une

valeur asymptotique entre 0.86 et 0.91. Dans cet intervalle, le bton de chanvre-

amidon est plus performant que le bton de chanvre-chaux du fait que la quantit de

chnevotte contenue dans nos matriaux.

6. Conclusion

Les caractristiques mcaniques des matriaux composites sont directement lies

aux dosages en liant. Pour le liant de notre agro-matriau, nous proposons le rapportA/E=6.10-2 soit 60g damidon pour 1 litre deau afin dobtenir une viscositdynamique et une tension superficielle adquate, respectivement 2x10

-3Pa.s et

45x10-3

N.m-1

ainsi que le recouvrement optimale des fibres. Pour le mlange

Liant+Chnevotte, nous proposons un rapport L/C=4.2 soit 0.24kg de chnevottepour un 1kg de liant. Cette composition permet les performances mcaniques

suivantes : Masse vol.= 225 kg .m-3

, Module dYoung= 0.77 MPa, Coefficient de

Poisson= 0.28, Rsistance traction= 0.056 MPa et une dispersion des rsultats

satisfaisante.

Pour amliorer les proprets mcanique, l'adhrence entre le liant et le chanvreainsi que l l'absorption excessive d'eau par la chnevotte doivent tre tudis en vue

de diminuer le temps de schage ainsi que la prsence moisissures dans les

compositions dont la quantit du liant est leve. La solution efficace pour surmonter

ces inconvnients est la modification de la structure chimique de lamidon par greffe

de polymre ou bien ajout dun polymre plastifiant tel que le glycrol [DUA07].

Dans les perspectives de ce travail, le glycrol sera ajout comme un plastifiant


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biodgradablepour viter le phnomne de rtrogradation de lamidon qui cause les

moisissures et assurer ainsi la rigidit et la durabilit du matriau.

Les proprits thermiques des btons de chanvre ainsi que celles du composite

chanvre-amidon sont efficace pour tre utilises dans les rgions climat froid. Leur

inertie thermique est faible et pourrait causer des problmes de surchauffe

lintrieur du btiment [TRA10] durant les priodes chaudes.

Les rsultats de lessai dabsorption acoustique montrent que, le bton de

chanvre absorbe le son haute frquence dune faon excellente. Ceci prouve que le

bton de chanvre d'amidon est un matriau adquat pour l'isolation acoustique, qui

peut tre incorpor dans la fabrication de mur insonoris.

Le bton de chanvre-amidon tudi peut rpondre aux besoins des professionnelsde l'industrie du btiment et tre en conformit avec la notion de dveloppement

durable. Il peut tre utilis comme un matriau de remplissage 100% vgtal.

Bibliographie.

[BEA90] J. BEAUDOIN. Handbook of fiber-reinforced concrete: principles properties,developments and applications. Park Ridge, NJ: Noyes Publications, 1990

[BRI09] P. BRIGITTE D B, K.H. JEPPSSON, K. SANDIN, C. NILSON.Mechanical

properties of lime-hemp concrete containing shives and fibres. BiosystemsEngineering103 (4) (2009) 474-479.

[CER05] V. CEREZO (2005), Proprits mcaniques, thermiques et acoustiquesdun matriau base de particules vgtales : approche exprimentale et

modlisation thorique, Thse de Doctorat, INSA & ENTPE de Lyon, 242 p.

[DUA07] J. DUANMU, E.K. GAMSTEDT, F. TANCRET, A. ROSLING, Hygromechanical

properties of composites of cross-linked allylglycidyl-ether modified starch reinforced by

wood fibres, Composites science and technology, 67(2007)3090-3097.

[ELF07] S. ELFORDY, F. LUCAS, F. TANCRET, Y. SCUDELLER, L. GOUDET (2007),

Mechanical thermal properties of lime and hemp concrete ( hempcrete ) manufactured

by a projection process, Construction and Building Materials, (Article in press).

[EVR09] A. EVRARD. Transient hygrothermal behaviour of lime-hemp materials.Thse de

Doctorat, Ecole Polytechnique de Louvain Unit dArchitecture, 2008.

[LI06] Z. LI, X. WANG, (2006), Properties of hemp fibre reinforced concrete composites,

Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, vol. 37, p. 497-505

[SED07] D.SEDAN (2007), Etude des interactions physico-chimiques aux interfaces fibres

de chanvre / ciment .Influence sur les proprits mcanique du composite Thse de

Doctorat, Universit de Limoges, 2007.

[TRA10] A.D.TRAN. LE (2010), Etude des transferts hygrothermiques dans le bton de

chanvre et leur application au btiment Thse de Doctorat, URCA, 2010.

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Etude expérimentale du béton de chanvre à base d’amidon