Propriétés mécaniques, thermiques et acoustiques d'un ...csidoc.insa-lyon.fr/these/2005/cerezo/09_chapitre1.pdf · masse volumique sèche s’explique par une expansion plus ou

CHAPITRE 1

ELEMENTS BIBLIOGRAPHIQUES ET

CARACTERISATION EXPERIMENTALE DES MATERIAUX

La particularité de ce travail de recherche réside à la fois dans la manière de traiter la

problématique scientifique liée à ce genre de matériau et dans le sujet d'étude lui-même. Cette

étude est basée sur une approche globale des propriétés du béton de chanvre, avec une analyse

croisée des caractéristiques mécaniques, thermiques et acoustiques. En règle générale, les

matériaux employés dans le bâtiment remplissent un usage particulier, pour lequel leur

formulation a été optimisée. On utilise alors une technique de « structures sandwichs » en

accolant ces différents matériaux les uns aux autres. A titre d’exemple, un béton hydraulique

visant à la réalisation d’une structure porteuse, est formulé de manière à posséder de bonnes

qualités mécaniques (résistance, rigidité). Le diamètre des granulats et la proportion entre les

différentes granulométries sont choisis de façon à obtenir un empilement le plus compact

possible. Le ciment en faisant prise assure la cohésion de l'empilement granulaire et la

résistance mécanique du matériau. Or, ce béton est alors un bon conducteur thermique car il

contient peu d’air. On utilise donc des panneaux de laine de roche ou de laine de verre pour

isoler le système. En revanche, le béton étant compact, il aura une masse importante qui lui

permettra d’empêcher la transmission du son d’une pièce à l’autre.

A l’inverse, un béton cellulaire est principalement utilisé à des fins d’isolation

thermique car il contient un grand nombre de pores. Cependant, ces performances mécaniques

et acoustiques sont limitées.

Les performances mécaniques, acoustiques et thermiques ont donc des exigences

contraires. Celles-ci expliquent à la fois la difficulté et l’intérêt d’une étude globale des

propriétés. En étudiant la variabilité des propriétés du matériau en fonction de paramètres pré-

définis comme le dosage des constituants ou la compacité, il devient possible de trouver des

compromis en fonction des aspects que l’on souhaite favoriser, tout en conservant un matériau

multi-usages.

La deuxième originalité de ce travail concerne les caractéristiques propres du béton de

chanvre. Cette spécificité est due aux propriétés de chaque constituant ainsi qu’à la

microstructure résultante du mélange de ceux-ci.

Le béton de chanvre est constitué de granulats d’origine végétale et d’une matrice de

liant à base de chaux. Le granulat de chanvre présente une forte porosité qui le rend léger et

très compressible. Son comportement diffère donc de celui des granulats minéraux classiques,

rigides. Le liant à base de chaux a une cinétique de prise lente par rapport à celle des liants

hydrauliques usuels comme le ciment. De plus, les niveaux de performances mécaniques

atteints par ce type de liant sont en deçà de celles des liants à base de ciment.

Le mélange de ces deux constituants, l’un compressible et l’autre pas, conduit donc à

un matériau assez éloigné des matériaux de construction classiques, et ce à plusieurs titres.

Tout d’abord, les propriétés du béton de chanvre évoluent sur des durées supérieures de celles

des matériaux usuels. La caractérisation des propriétés mécaniques à 28 jours ne donne pas

des valeurs représentatives des performances de ce matériau. On raisonne donc sur des

échelles de temps variant entre 6 mois et 1 an. Ensuite, le comportement mécanique est

modifié par la présence de granulats déformables dans une matrice de liant rigide. Ce

contraste des propriétés génère un mode de rupture différent de celui d’un béton standard.

Enfin, la microstructure du béton de chanvre varie en fonction de la formulation et entraîne

des comportements et des propriétés variables. Ce dernier point constitue le principal attrait

de ce matériau.

Ce premier chapitre s'articule autour de deux thèmes. Dans un premier temps,

quelques éléments bibliographiques concernant les bétons légers sont relatés, car ces

matériaux présentent certaines similarités avec le béton de chanvre. Elle permet de résumer

les principales caractéristiques de ce type de matériau dans les trois domaines abordés tout au

long de ce mémoire (mécanique, thermique et acoustique). Dans un deuxième temps, les

caractéristiques des constituants et du béton de chanvre sont exposées et leurs particularités

sont explicitées.

- 24 -

CHAPITRE 1 : Eléments bibliographiques et caractérisation expérimentale des matériaux

1. ELEMENTS DE BIBLIOGRAPHIE

1.1. Classification générale des matériaux de construction

Les matériaux de construction peuvent être classés en deux grandes catégories : les

matériaux traditionnels d’origine naturelle et les matériaux modernes composites.

Parmi les matériaux traditionnels, on distingue la pierre, la terre crue et le bois.

La pierre est d’utilisation très ancienne, s’expliquant par sa disponibilité (carrières), sa

grande résistance et sa durabilité. Cependant, elle est difficile à façonner et à mettre en œuvre

(poids). Aujourd’hui, la construction en pierre est devenue confidentielle. Elle se limite à des

travaux de rénovation de constructions anciennes.

La terre crue, matière première disponible, est d’une mise en œuvre aisée et peu

coûteuse (techniques de construction en pisé ou torchis et briques de terre crue). Ceci justifiait

son utilisation dans le passé, mais ce matériau économique a été peu à peu remplacé par

d’autres plus performants et plus chers dans les pays industrialisés. L’utilisation de la terre est

devenu l’apanage des pays en voie de développement (Brésil, pays africains…).

Le bois enfin, nécessitant peu de transformations et facile à travailler, était et reste

apprécié dans la construction pour ses propriétés mécaniques (résistance en traction) et son

pouvoir isolant. Il sert à fabriquer des structures porteuses, voire des habitations complètes.

Toutefois, le bois étant un matériau naturel, il présente des qualités variables selon l’âge,

l’essence, l’origine géographique, les conditions de séchage.

Parmi les matériaux récents, le plus employé est le béton, mélange composé de

granulats minéraux rigides, de ciment, de sable et d’eau. Cette formulation de base peut être

agrémentée d’adjuvants (produits rajoutés en faible quantité dans le mélange) de façon à

obtenir des propriétés particulières (fluidité du mélange, prise plus ou moins rapide…), voire

par d’autres constituants (acier pour béton armé ou précontraint, fibres) pour augmenter les

performances mécaniques. Ce matériau présente donc des propriétés structurelles

intéressantes et une bonne durabilité. Cependant, il a une masse volumique élevée d’où la

mise en place de fondations importantes pour supporter le poids des constructions. Par sa

masse synonyme d’une certaine inertie, il bloque la transmission des sons par vibrations

acoustiques et ralentit le transfert de la chaleur. Cet effet tampon compense en partie le fait

que le béton soit un matériau conducteur. Globalement, le béton est donc performant du point

- 25 -

de vue mécanique et du point de vue de l’isolation acoustique (limite la transmission) mais il

est moins intéressant du point de vue de l’isolation thermique.

De nouveaux matériaux sont alors apparus, rassemblés sous l'appellation de bétons

légers. Ces matériaux font référence à des bétons de masse volumique plus faible

(ρ < 1600 kg.m-3) que celle des bétons traditionnels et vise principalement une meilleure

isolation thermique. Ces matériaux sont obtenus par substitution des gravillons traditionnels,

qui peuvent être remplacés :

- par des granulats allégés

- par incorporation de bulles d’air (béton cellulaire).

C’est dans cette gamme de matériau que se situe le béton de chanvre, objet de l’étude.

La suite du chapitre fait une synthèse des caractéristiques et des phénomènes physiques liés à

ce type de matériau.

1.2. Types de granulats légers

1.2.1. Définition d’un granulat léger

Les granulats légers se différencient des autres granulats par leur faible masse

volumique. Celle-ci est inférieure à 1200 kg/m3, tandis que celle de la pierre naturelle est de

2700 kg/m3. L’écart de masse volumique s’explique par la porosité élevée du granulat φg,

c’est-à-dire une importante proportion volumique de vides d’air contenus dans le granulat. Cet

air sera appelé dans la suite du mémoire, air intra-particule.

granulat

scapillaireg V

V =φ (I.1)

avec Vcapillaires : volume des vides contenus dans le granulat (m3)

Vgranulat : volume total occupé par le granulat (m3)

1.2.2. Origine des granulats

Un certain nombre de granulats légers existe à l’état naturel, les autres étant obtenus

artificiellement par divers procédés chimiques. Parmi les granulats d’origine minérale

naturellement poreux, les plus fréquemment rencontrés sont les ponces ou les roches

sédimentaires comme les calcaires. Ils sont extraits de gisements et directement utilisables

dans les matériaux de construction.

Les autres granulats naturellement poreux sont d’origine végétale. Il s’agit pour la

plupart des déchets organiques qui trouvent dans la construction un moyen de valorisation

- 26 -


[HERRMANN & al., 98]. On peut ainsi citer le bois, la tige de maïs, la coque de noix de coco

[KHEDARI & al., 03], le bambou [LUIZ DE BARROS SALGADO, 00]. Ce type de produit

représente une production de quelques dizaines de milliers de m3 par an, ce qui reste encore

très faible. Ces granulats contiennent de nombreux capillaires, entraînant une porosité φg

élevée. Cependant, ils contiennent également des matières organiques à base de cellulose qui

les rendent réactifs vis à vis de certains constituants présents dans les liants hydrauliques. Un

traitement préalable est donc indispensable afin de les rendre inertes. Trois méthodes sont

employées [PIMENTIA & al., 94] :

- les traitements physiques : les composés organiques (type hémi-cellulose)

contenus dans le granulat sont isolés du milieu extérieur, soit en imprégnant le

granulat de résine ou de paraffine (imprégnation à cœur), soit en enrobant la

particule. Les fibres de celluloses peuvent également être détruites par un sel de

calcium d’un acide fort, créant d’innombrables microcavités dans le granulat.

- les traitements thermiques : ils détruisent les constituants cellulosiques à une

température de l’ordre de 280°C et limitent en même temps l’hygroscopie du

granulat.

- les traitements chimiques : ils remplacent les groupes hydroxyl (-OH) par des

groupements hydrophobes dans le même but que les traitements thermiques.

Actuellement, la stabilisation des particules végétales s’effectue plutôt par un traitement

chimique suivi d’un traitement thermique. Cependant, des recherches récentes réalisées par

l’E.S.S.T.I.B. (Ecole Supérieure des Sciences et Technologie de l’Industrie du Bois)

s’orientent préférentiellement vers un traitement physique d’imprégnation plus aisé et plus

économique à mettre en œuvre que les traitements thermiques ou chimiques.

D’autres granulats légers sont obtenus par un procédé chimique appelé expansion

(argile expansée…). A une température de l’ordre de 1000°C, la paroi des granulats devient

plastique et gonfle sous l’effet de dégagements gazeux (CO, CO2,O2, SO2, SO3…) générés par

la cuisson. Ceci les rend beaucoup plus légers que les granulats classiques avec une masse

volumique sèche ρgranulat comprise entre 800 et 1200 kg/m3. La gamme de variation de la

masse volumique sèche s’explique par une expansion plus ou moins poussée du granulat

(durée de chauffe, température de cuisson entre 1000 et 1250°C) et par une composition

chimique variable qui prédispose à ce phénomène. Enfin, plus l’expansion sera poussée et

plus le matériau deviendra coûteux à fabriquer compte tenu de l’énergie consommée dans les

fours de cuisson et du temps de la réaction chimique.

- 27 -

Le deuxième type de bétons légers regroupe les bétons cellulaires. Ils sont composés

d’une matrice solide de liant (mélange de chaux, de ciment et de sable) et de bulles d’air. La

phase granulaire contient uniquement des agrégats de taille inférieure à 80 µm. Les bulles

d’air sont obtenues par un phénomène d’expansion ou « levée de la pâte » d’origine chimique

ou mécanique.

Dans le cas d’une expansion chimique [ARNAUD, 93] [VILLAIN, 97], de la poudre

d’aluminium introduite dans le mélange s’oxyde en milieu basique (chaux) et libère de

l’hydrogène à l’origine d’un réseau dense de bulles dans le matériau encore à l’état visqueux.

Dans le cas d’une expansion mécanique, un agent saponifiant est intégré au mortier initial et

au contact de l’eau, il se forme une mousse qui génère des bulles d’air. Cette méthode permet

de gérer le processus de formation des pores en dosant correctement l’agent moussant

[NARAYANAN & RAMAMURTHY, 00a] et de répartir les pores de manière régulière dans

la matrice. Lorsque le matériau a atteint sa taille finale, une étape de cuisson par autoclavage

finit de cristalliser le béton cellulaire. On obtient un produit manufacturé de structure connue

et contrôlée donc de qualité constante malgré un coût énergétique élevé (fours de cuisson).

Le béton cellulaire est utilisé en construction pour la réalisation de murs et de

planchers légers. Il est commercialisé sous forme de panneaux ou de briques préfabriquées de

625 mm de long, 500 mm de large et d’épaisseurs 50, 70, 100 ou 300 mm.

1.3. Propriétés mécaniques des bétons légers

1.3.1. Porosités

Le béton est constitué de plusieurs éléments solides (granulat, liant) et de plusieurs

familles de vides dont la taille varie de quelques dizaines d'Angstrom (Å) à quelques

millimètres selon l'origine de ces porosités.

Les granulats possèdent une porosité intrinsèque appelée φg, due à la présence de l'air

intra-particule. Compte tenu de la taille caractéristique des capillaires (de l'ordre de la dizaine

de µm), la porosité du granulat sera qualifiée de porosité microscopique.

La matrice de liant contient également des vides d'air qui apparaissent au moment de

la prise des hydrates et du séchage du matériau. On parle d'air intra-liant qui permet de définir

la porosité intrinsèque du liant φl. La taille caractéristique des pores présents entre les hydrates

de Ca(OH)2 ou de C-S-H, varie entre 0,01 µm et 5 µm et la taille des pores générés par un

entraîneur d'air varie entre 5 µm et 1 mm [GAGNE, 03]. L'air intra-liant sera également

considéré comme de l'air microscopique.

- 28 -


liant

videsl V

V =φ (I.2)

avec Vvides : volume des vides contenus dans la matrice de liant (m3)

Vliant : volume total occupé par la pâte de liant (m3)

Enfin, l'arrangement plus ou moins compact des différents constituants entre eux

(empilement de granulats et du liant) crée des vides supplémentaires, à l'origine de la porosité

mésoscopique du matériau.

tV

videsVmeso =φ (I.3)

avec Vvides : volume des vides contenus dans le matériau autres que l'air intra-liant et intra-

particule (m3)

Vt : volume total occupé par le matériau (m3)

Air intra-particule

Granulat

Air mesoscopique

Liant

Air mesoscopique

Air intra-liant

Fig.I. 1: Porosités du béton

- 29 -

nom

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1.3.2. Légèreté

L’emploi de granulats légers a pour première conséquence une diminution de 20 à

30 % de la masse volumique des bétons. A titre de comparaison (Tab.I. 1), la masse

volumique d’un béton hydraulique est de l’ordre de 2300 kg/m3 alors qu’elle se situe autour

de 1600 kg/m3 pour un béton d’argile expansée, entre 600 et 900 kg/m3 pour un béton de bois

et qu’elle varie entre 350 et 650 kg/m3 pour un béton cellulaire (norme NF P 14-306).

L’intérêt est d’avoir un matériau facile à mettre en œuvre lorsqu’il est vendu manufacturé

sous forme de parpaings. De plus, ce matériau allégé nécessite des fondations moins

importantes lors de la construction.

1.3.3. Comportement et performances mécaniques

Les granulats légers entraînent une modification du comportement et des niveaux de

performances mécaniques du béton. En effet, le granulat léger est poreux donc moins résistant

qu’un granulat usuel. Le fonctionnement mécanique et le mode de rupture des bétons légers

sont donc modifiés par rapport à ceux d’un matériau contenant des granulats rigides.

Si le béton contient des granulats rigides plus résistants que le mortier, ceux-ci

constituent les points durs du système. Les contraintes imposées au matériau, entraînent des

déformations notables dans le liant et négligeables dans le granulat. Des zones de

concentrations de contraintes naissent donc dans le mortier, qui fissure. L’adhérence entre les

granulats et le mortier étant insuffisante pour supporter les niveaux de sollicitation imposés, la

fissuration du mortier se produit autour des grains qui se décollent de la pâte de ciment. La

résistance du béton est donc pilotée par la résistance de la zone servant d’interface entre le

mortier et le granulat rigide.

A l’inverse, dans le cas du béton léger contenant des granulats de faible résistance, les

contraintes cheminent à travers la pâte, contournant les « points faibles » du matériau. Le

mortier subit des niveaux de sollicitation élevés et les déformations de la pâte et des granulats

sont importantes. Une fois les granulats écrasés, ils ne participent plus vraiment à la résistance

du matériau et le mortier finit par céder. La résistance en traction des granulats pilote donc la

résistance en compression du béton léger. Ce mode de rupture est possible car les granulats

légers possèdent une surface poreuse importante qui crée une excellente adhérence entre la

pâte et le grain. Ce n’est donc pas la liaison au niveau de la surface de contact qui est détruite

comme dans le cas de granulats rigides mais le granulat qui cède.

Une nuance existe cependant dans le cas de granulats très déformables même si leur

résistance reste modérée. En effet, sous l’effet des contraintes le mortier va se déformer et le

- 31 -

granulat va faire de même par contact granulat-mortier. Comme le granulat peut supporter des

niveaux de déformation supérieurs à ceux du mortier, c’est ce dernier qui va fissurer sous

l’effet des contraintes et le granulat, n’ayant pas atteint son seuil de rupture, ne sera pas

détruit. La rupture du béton se fait dans ce cas précis par rupture du mortier et non par rupture

des granulats. Ainsi, les caractéristiques des granulats sont déterminantes dans les

performances des bétons légers, comme le montrent entre autres le travail expérimental et

l’étude statistique de [CHI & al., 03].

Les niveaux de performances des bétons légers sont inférieurs à ceux des matériaux

usuels de construction, puisque les granulats légers possèdent une porosité propre φg, qui les

rend déformables. D’une manière générale, la résistance en compression à 28 jours et le

module d’élasticité E augmentent lorsque la porosité des granulats φg diminue. Des

campagnes expérimentales ont mis en relation performances mécaniques et masse volumique

ρ des bétons légers. Dans le cas de granulats d’argile expansée de type Liapor,

[ARNOULT,76] a obtenu une relation linéaire entre la résistance en compresson et la masse

volumique (Fig.I. 2).

Fig.I. 2: Résistance sur prisme en compression à 28 jours (MPa) en fonction de ρ [ARNOULD, 76]

Dans le cas du béton cellulaire, la grande proportion de vides d’air dans le matériau est

un facteur essentiel dans le niveau de performances. On distingue deux types de pores : les

macropores (diamètre supérieur à 60 µm) et les micropores (diamètre < 60 µm) avec une

répartition de ¾ de macropores pour ¼ de micropores.

- 32 -


Fig.I. 3: Répartition de la porosité de trois bétons cellulaires autoclavés en fonction du diamètre des pores [JACOBS & MAYER, 92]

Diverses formules empiriques ont été déterminées afin de prédire la résistance en

compression Rc et le module d’élasticité E du béton cellulaire autoclavé en fonction de la

porosité. On obtient Rc compris entre 1 et 5 MPa et E entre 20 et 30 MPa.

Tab.I. 2 : Formules empiriques reliant la résistance à la compression, la composition et la porosité [NARAYANAN & RAMAMURTHY, 00b]

Cependant, il faut nu

du type

Rc (MPa) constantes de calage paramètres

Feret modifié (béton avec

mousse)σ = K (1/(1+ w/c + a/c))n K, n w/c : ratio eau/ciment , a/c:

ratio air/ciment

Schiller σ = Ks.ln(Pcr / p)Ks, Pcr: porosité

correspondant à σ = 0p: porosité du béton

cellulaire

Balshin σ = σ0 (1 - p)n σ0: résistance à porosité 0 p:porosité du béton cellulaire

Module d'élasticiα: masse volumique sèche (g.cm-3)S: résistance à la compression sur cube en kg.cm-

té E Notations

3

1555 S0,7 S: résistance à la compression sur cube en kg.cm-3

3000 Sp Sp: résistance à la compression sur prisme en kg.cm-3

k: constante variant entre 1,5 et 2γsec: masse volumique sèche (kg.m-3)fc: résistance à la compression (MPa)c1, c2: constantesρ: masse volumique sèche (kg.m-3)

6000 (α)1,5 S

k γsec (fc)0,5

c1 (ρ - c2)

Tab.I. 3: Equations prédictives du module d’élasticité E du béton cellulaire [NARAYANAN & RAMAMURTHY, 00b]

ancer cette corrélation entre performances et porosité en fonction

de granulats légers et de la quantité employée dans le matériau. En effet, si le volume

occupé par les granulats est faible devant le volume de pâte de ciment, sa contribution à la

résistance du matériau sera négligeable quelles que soient ses caractéristiques. En revanche, si

- 33 -

le volume de granulats devient suffisamment important, ses propriétés piloteront les

caractéristiques du matériau global.

Enfin, il convient de citer quelques travaux récents qui ont permis de concevoir des

bétons

1.3.4. Sensibilité à l’eau

Les granulats, poreux et perméables, permettent les transferts hydriques sous forme

liquide

ulté qu’a un matériau de laisser un fluide

s’écoul

1.3.4.1 L’absorption

par lequel un liquide migre de l’extérieur

vers l’

légers à hautes performances. [ROSSIGNOLO & al., 03] ont travaillé sur des

mélanges de granulats légers brésiliens (argiles expansées) dosés entre 224 et 293 kg/m3 et

des quantités élevées de ciment variant entre 440 et 710 kg/m3. Un ajout de fumée de silice, à

hauteur de 10 % en masse de ciment, est effectué. On obtient ainsi un matériau de masse

volumique autour de 1500 kg/m3. Les résistances en compression à 7 jours s’étalent entre 40

et 55 MPa et les modules de rigidité de Young varient entre 12 et 15 GPa. D’autres travaux

ont porté sur l’amélioration de la qualité de la matrice [TAMBA & al., 01] et sur des ajouts

d’argile dans les bétons de bois [AL RIM & al., 96], [BOUGUERRA & al., 98] . Les

résistances en compression finales sont comprises entre 7 et 24 MPa pour des masses

volumiques entre 1178 et 1540 kg/m3. Enfin, [SCHINK, 03] rajoute des fibres métalliques

dans les bétons légers afin d’obtenir des Bétons Hautes Performances allégés.

et sous forme vapeur. Dans le cas d’eau liquide, on parle d’absorption et dans le cas

d’eau vapeur, on parle de sorption-désorption.

La perméabilité Πm représente la fac

er en son sein, sous l’effet d’un gradient de pression. Cette propriété de perméabilité

n’existe donc que si le matériau possède une porosité non négligeable et que celle-ci est

connectée. En revanche, un matériau peut être très poreux (i.e. le béton cellulaire) et peu

perméable car les pores, non reliés entre eux, ne constituent pas des chemins continus, dans

lesquels le fluide peut s’écouler. Porosité et perméabilité sont donc liés mais le premier

n’implique pas forcément le deuxième.

L’absorption est un phénomène physique

intérieur d’un milieu poreux grâce à un phénomène de remontées capillaires.

L’absorption entraîne un gain de masse du matériau. Pour expliquer la capillarité, prenons un

tube cylindrique de diamètre 2r, jouant le rôle d’un capillaire, dont on plonge la base dans un

bac rempli d’eau liquide. L’eau monte dans le tube jusqu’à une hauteur donnée, et il se forme

un ménisque à la surface du liquide. Cette hauteur d’équilibre est liée au rayon de courbure du

- 34 -


ménisque, lui-même dépendant du rayon du capillaire. La pression de vapeur d'équilibre au-

dessus du ménisque ou pression de capillarité Pc, dépend également de ce rayon et vaut :

r

P mlv ασ cos 2 = (I.4) c

vec σlv : tension de surface à l’interface liquide va

La pression de vapeur saturante (Pvs) est la pression pour laquelle l’air contient la

quantit

Fig.I. 4 : Remontée d’eau dans le tube par pression capillaire

Pour donne m a une pression

capillai

a peur (0,072 N.m-1 à T = 20°C)

αm : angle de mouillage de l’eau sur le granulat (rad)

é maximale de vapeur d’eau à une température T donnée. L’angle de mouillage αm

correspond à l’inclinaison du ménisque le long de la paroi.

AIR

EAU ANGLE αm

r une ordre de grandeur, un capillaire de rayon 100 µ

re de 1440 Pa si on considère que le granulat est parfaitement mouillé (cosαm = 1). Ce

résultat est interprétable en terme de hauteur de remontées capillaires hc avec à l’équilibre :

ρw g hc = Pc (I.5)

w

md’où lvc gr

hρ

ασ

(I.6)

Une pression de 1 440 Pa correspond alors à une hauteur d’eau de 14,4 cm. Pour un

capilla

ependant, l'absorption n’est possible que si les capillaires du réseau poreux

commu

cos 2 =

ire de 10 µm de diamètre, la pression atteint 14 400 Pa soit une hauteur d’eau de 1,44

mètres. Ces pressions élevées expliquent la cinétique rapide du phénomène d’absorption

d’eau par les matériaux poreux. De plus, les hauteurs de remontées capillaires laissent à

penser que les pores contenus dans les matériaux se remplissent totalement.

C

niquent pour permettre le transfert de l’eau : on parle alors de porosité ouverte φouverte

ou connectée. Lorsque le matériau contient des pores emprisonnés comme dans le cas du

- 35 -

béton cellulaire, on parle de pores occlus. Ces pores ne participent pas au phénomène

d’absorption (Fig.I. 5).

Fig.I. 5 : Trois types de porosité présente dans les matériaux

Une étude expérimentale menée par Vaquier dans [ARNOULD chap.7, 76] a mis en

évidence le rôle de la microstructure dans l’absorption en comparant le type et la distribution

par taille des pores de quatre granulats légers (Tab.I. 4) et en analysant les conséquences sur

l’absorption.

porosité ouverte (%)

% pores diamètre > 2 microns

Ponce 55,0 68,0Argile expansée 53,9 11,7Schiste expansé 37,0 34,7Cendre frittée 37,0 17,6

Tab.I. 4 : Porosité ouverte des granulats et proportion de capillaires de diamètre supérieur à 2 microns

Il constate que la plus grande partie de l’eau est absorbée en quelques minutes et que

la quantité d’eau absorbée n’est pas corrélée à la porosité ouverte mais à la porosité ouverte

de diamètre supérieur à 2 microns. Ceci est confirmé par la comparaison entre le volume de

liquide maximal absorbé par les granulats et le volume total des capillaires de diamètre

supérieur à 2 microns qui sont quasiment identiques.

1.3.4.2 Conséquences sur la prise

La mise en présence de constituants possédant des microstructures différentes génère

une compétition entre les éléments pour absorber l'eau du mélange, ce qui a des répercussions

sur la prise du liant. Pour évaluer ce phénomène, Vaquier a comparé le comportement de

granulats de ponce contenant trois quantités d’eau différentes. Il a suivi l’évolution temporelle

du taux de saturation Sr des granulats noyés dans un mortier de ciment.

Connaissant la quantité maximale d’eau que peut capter le granulat, on définit le degré

de saturation Sr comme le rapport entre le volume d’eau contenu dans les granulats et le

volume total de vides. Lorsque Sr = 0 % le granulat est parfaitement sec et lorsque

- 36 -


Sr = 100 %, tous les vides sont occupés par l’eau. La teneur en eau massique ω indique la

quantité d’eau liquide contenu dans un matériau par rapport à la masse sèche de ce matériau.

sèche

eau

MM =ω (I.7)

avec Meau : masse d’eau dans le matériau

Msèche : masse de matériau anhydre

Trois degrés de saturation Sr ont été testés Sr = 0 %, 70 % et 100 % (Fig.I. 6).

Fig.I. 6 : Variation temporelle du degré de saturation en eau Sr des granulats de ponce dans un mortier [ARNOULD, 76]

Lorsque le granulat est non saturé, il absorbe l’eau présente dans le mortier et son taux

de saturation augmente pendant 1 à 2 heures. C’est la phase de succion. Après avoir atteint un

maximum, Sr diminue et l’eau quitte le granulat, qui joue donc un rôle de « réservoir d’eau ».

A l’inverse, dans le cas de granulats saturés en eau, la phase de succion n’existe plus. Pendant

quelques heures, Sr reste constant à 100 % (plateau). Puis, Sr décroît car le granulat libère de

l'eau. Il est important de noter que les pentes des courbes représentant la diminution de Sr sont

parallèles, ce qui laisse à penser que c’est l’hydratation du ciment qui pilote l’assèchement des

granulats. Ce comportement vis à vis de l’eau explique le fait que les granulats légers soient

préalablement saturés, de façon à laisser la réaction d’hydratation du liant s’initier avec l’eau

disponible dans le mélange.

Le deuxième effet de l'absorption concerne d'éventuelles variations dimensionnelles

du matériau, induites en particulier par le gonflement des granulats. Dans le cas du béton de

bois, les variations dimensionnelles sont de l’ordre de 5 mm/m tandis que la norme préconise

- 37 -

des variations inférieures à 0,45 mm/m pour une utilisation en génie civil. Elles peuvent

atteindre 10 mm/m pour des granulats particulièrement hydrophiles. Pour diminuer ces

variations, on peut augmenter le dosage en ciment dans le béton afin d’augmenter la rigidité

de la matrice entourant le granulat et bloquer le gonflement.

Des essais ont permis de d’évaluer les gains massiques et le taux de saturation Sr de

particules de bois AGRESTA seules (épicéa) et d’un béton de bois de masse volumique

600 kg/m3 incluant ces particules (Tab.I. 5). En une minute, les particules AGRESTA sont

capables d’absorber l’équivalent de leur poids sec, ce qui représente plus de la moitié des

volumes de vides disponibles. Le taux d’absorption dépend de la nature des copeaux de bois

mais le niveau reste toujours élevé. De même, les niveaux d'absorption sont importants pour

le béton de bois.

1 minute 24 heures 28 joursgain massique 100% 140% 160%Sr (%) 62% 87% 100%gain massique 20% 27% 32%Sr (%) 23% 31% 37%

Temps

Copeaux bois

Béton de bois

Tab.I. 5: Gain massique en eau et taux de saturation Sr de copeaux de bois AGRESTA (épicéa) et du béton de bois correspondant

Les variations dimensionnelles consécutives à l’absorption d’eau par ce béton de bois

sont indiquées ci-dessous (Tab.I. 6).

Gain massique (%) 20% 27% 32%Gonflement (‰) 2,25‰ 3,75‰ 4,25‰

Tab.I. 6 : Variations dimensionnelles dues à l’absorption de l’eau pour du béton de bois Agresta [PIMENTIA & al., 94]

Ce comportement vis-à-vis de l’eau pose des difficultés d’utilisation que ce soit en

tant que matériau de remplissage ou en tant que matériau structurant. En effet, les variations

dimensionnelles vont créer des efforts sur la structure porteuse (matrice cimentaire ou

panneaux des murs à remplir). Celle-ci peut alors être détériorée (fissures, déformations…) et

offrir un aspect peu attractif donc incompatible avec une utilisation dans l’habitat.

1.3.4.3 La sorption/désorption

Les matériaux possèdent la capacité de condenser l’eau présente dans le milieu

extérieur à l’état vapeur. C’est le phénomène de sorption-désorption. Il se quantifie en

mesurant les variations de masses des échantillons en fonction des conditions

- 38 -


thermodynamiques de conservation (température T fixe et hygrométrie extérieure HR

variable).

L’hygrométrie HR (en %) caractérise le degré d’humidité d’une ambiance. On définit

cette humidité relative comme le rapport de la pression de vapeur (Pv) existant dans un gaz et

de la pression de vapeur saturante (Pvs) dans les mêmes conditions de température.

vsPvP HR

×= 100 (I.8)

HR permet donc de connaître la fraction de vapeur réellement présente dans l’air pour une

température donnée par rapport à la quantité totale de vapeur que peut contenir l’air sous cette

même température. Lorsque la température T baisse, l’air se refroidit et la pression de vapeur

saturante diminue donc la quantité de vapeur que peut contenir l’atmosphère baisse (air

relativement sec en altitude). En revanche, plus la température T sera élevée et plus l’air

pourra contenir de vapeur d’eau (humidité observable dans les zones tropicales)

La pression de vapeur (Pv) est la pression pour laquelle un corps pur en phase

condensée (liquide ou solide) est en équilibre avec sa phase vapeur sous une température T

donnée et fixée.

Les courbes de sorption-désorption représentent usuellement la teneur massique en

eau ω du matériau sous une humidité HR variant entre 0 et 100 %. Les figures suivantes

permettent de réaliser un comparatif entre des matériaux peu absorbants comme le ciment, le

plâtre ou la brique et des matériaux absorbants comme le béton cellulaire ou le béton de bois

DURISOL (mélange ciment et particules de bois issues du recyclage des charpentes).

- 39 -

Fig.I. 7 : Courbes de sorption de quelques matériaux [SERADA & FELDMAN, 01]

Fig.I. 8: Courbes de sorption et désorption du béton cellulaire de ρ = 500 kg/m3 à T = 20°C [AAC, 78]

- 40 -


plâtre - ciment 2500 0,20% 0,005brique 1800 0,50% 0,009beton hydraulique 2300 2% 0,046béton cellulaire 500 3% 0,015béton de bois 800 8% 0,064

ρ (kg/m3)Gain massique sous HR=50%

Veau (m3) pour 1 m3 de matériau

Tab.I. 7 : Gain massique et volumique de différents matériaux sous HR = 50 %

Le tableau I.7 permet de comparer les quantités d’eau effectivement présentes dans les

matériaux sous HR = 50 %. On note l’existence d’un rapport volumique de 12 entre la quantité

d’eau adsorbée par le mélange plâtre-ciment et celle adsorbée par le béton de bois. De même,

on observe un rapport volumique de 3 entre le béton hydraulique et le béton cellulaire, bien

que la teneur en eau massique ω des deux matériaux soit très proche. Ces constatations

permettent de souligner le fait que les courbes de sorption-désorption doivent être utilisées

avec prudence. Il convient de se ramener à des notions de concentrations volumiques afin

d’évaluer la place occupée par l’eau et l’impact sur les propriétés du matériau, principalement

dans le domaine thermique.

1.4. Propriétés thermiques

La conduction thermique λ est le flux de chaleur par mètre carré, traversant un

matériau d’un mètre d’épaisseur pour une différence de température d’un degré entre ses deux

faces. Cette propagation d’énergie se produit dans un solide par agitation des molécules

constitutives du matériau. La conductivité thermique λ est donc une grandeur intrinsèque du

matériau, qui dépend uniquement de ses constituants et de sa microstructure.

Un béton usuel à base de granulats rigides, contient de l'air, dû à l'arrangement de la

phase solide (squelette granulaire) et à la prise de liant. Or, l’air immobile conduit faiblement

la chaleur. Les bétons à base de granulats légers ont donc été développés, car ils permettent

d'augmenter la proportion volumique d'air dans le matériau (i.e. la porosité), en ajoutant l'air

intra-particule (i.e. du granulat). A titre comparatif, un béton hydraulique (ρ = 2300 kg/m3) a

une conductivité thermique de 2,0 W/(m.K) tandis qu’un béton d’argile expansé

(ρ = 1600 kg/m3) a une conductivité thermique de 0,60 W/(m.K).

Cependant, cette relation entre porosité et faible conductivité thermique doit être

nuancée en tenant compte d’un autre mode de transfert de la chaleur, la convection. Cette

dernière traduit les transferts de chaleur entre un solide immobile et un fluide en mouvement.

Lorsque le matériau contient un important réseau de pores connectés, l’air peut s’y déplacer et

les transferts de chaleur par convection peuvent devenir significatifs. En revanche, un

- 41 -

matériau contenant un grand nombre de pores occlus comme le béton cellulaire (φ ≈ 80 %) ne

présente pas de convection. Plus de la moitié de l’air est immobile dans les pores occlus et la

conductivité thermique est faible (Fig.I. 9).

Fig.I. 9 : Conductivité thermique λ en fonction de la masse volumique sèche du béton cellulaire [AAC, 78]

Un deuxième élément permettant de caractériser les propriétés thermiques des

matériaux est la chaleur massique ou chaleur spécifique C en J/(kg.K). Cette grandeur

caractérise la quantité de chaleur nécessaire pour élever la température de l’unité de masse de

1°C. Plus la chaleur massique sera élevée, plus le matériau aura besoin d’énergie pour que sa

température augmente. Il sera donc moins sensible aux variations de températures du milieu

extérieur. Un coefficient C élevé traduit une forte inertie thermique donc une tendance du

matériau à peu évoluer lorsque les conditions extérieures changent. Il sert ainsi de régulateur

de la température à l’intérieur de la structure.

Enfin, à partir de la conductivité λ et de la chaleur massique C, on définit la diffusivité

a (J/(m.K)). Cette grandeur caractérise la vitesse à laquelle la chaleur se propage par

conduction dans un corps. Plus la valeur de a est faible, plus la chaleur met de temps à

traverser le matériau.

c ρ

λ=a (I.9)

Ainsi, le pouvoir isolant du matériau dépend non seulement de la valeur de λ mais

également de la vitesse de transfert thermique traduite par a.

- 42 -


Béton de bois 600 à 900 52% 1200

Béton cellulaire 350 à 650 75 à 82%

1,80 à 2,001050

0,46

880 0,16 à 0,33

Béton hydraulique 2330 8%

Béton argile expansé 1600 36%

ρ (kg/m3) porosité φ C (J/kg.K)

7,4 à 8,2E-07

- 1000

λ (W/(m.K)) a (m2.s-1)

0,026 2,2E-05

0,602 1,4E-07

Air 1,2

Eau liquide 998 - 4180

Brique 1800 - 860

-

1,15 7,40E-07

3,2E-07900

0,09 à 0,30 1,2 à 2,8E-07

5,2 à 5,8E-07

0,033 -

Cuivre 8900 - 390 400 1,2E-04

Styrodur 50 -

0,12 1,1E-07Contre-plaqué 700 - 1500

Tab.I. 8 : Caractéristiques thermiques de quelques matériaux

Une synthèse des caractéristiques thermiques de quelques matériaux est faite dans un

but comparatif (Tab.I. 8). On constate par exemple, qu’un béton cellulaire est plus poreux

qu’un béton de bois et possède une conductivité thermique plus faible. En revanche, il diffuse

la chaleur plus rapidement.

Un dernier élément concernant les propriétés thermiques des bétons légers est lié au

pouvoir absorbant de ces matériaux, qui peuvent contenir des quantités d’eau non

négligeables. L’eau étant un excellent conducteur, elle induit une augmentation de la

conductivité thermique du béton, en se substituant à l’air isolant. Divers travaux ont permis de

corréler la conductivité thermique λ et la teneur en eau massique ω des bétons légers par des

formules empiriques. Des mesures expérimentales sur du béton de bois ont montré que la

conductivité thermique augmentait de 40 à 90 % pour des teneurs en eau ω de 30 %.

- 43 -

Cependant, les variations de λ dépendent de la masse volumique sèche puisqu'une teneur en

eau massique ω identique pour deux bétons de bois ne représentera pas le même volume d'eau

dans chaque matériau humide. Ceci permet d'expliquer les écarts observables sur la figure

suivante.

00,050,1

0,150,2

0,250,3

0,350,4

0,450,5

0% 5% 10% 15% 20% 25% 30%

Teneur en eau massique ω (%)

λ (W

/(m.K

))

1000 kg/m3550 kg/m3

Fig.I. 10 : Conductivité thermique sèche et humide de deux bétons de bois DURISOL [KOSNY & DESJARLAIS, 94]

Des études similaires à celles réalisées sur les bétons de granulats légers, ont été

menées sur le béton cellulaire, afin d’évaluer les variations de conductivité λ induites par la

présence d’eau liquide.

Fig.I. 11 : Conductivité thermique λ en fonction de la teneur en eau massique ω du matériau [AAC, 78]

- 44 -


Les premiers études de ce phénomène, on considère qu’il existait une dépendance

quasi-linéaire entre la conductivité et la masse volumique [AAC, 78]. Cependant, ces

conclusions ont été obtenues en couvrant une gamme restreinte de teneurs en eau (Fig.I. 11).

Plus tard, [BOUTIN, 96] montre par homogénéisation que la dépendance entre λ et ρ n’est

pas linéaire mais curviligne. Cette approche théorique est largement abordée dans le chapitre

3 consacré aux propriétés thermiques. Cependant, quelle que soit la forme mathématique de la

relation entre teneur en eau ω et conductivité, il est important de retenir que la présence d’eau

diminue le pouvoir isolant des matériaux dans des proportions non négligeables.

1.5. Propriétés acoustiques

Le dernier élément de caractérisation des matériaux concerne les propriétés

acoustiques. Les mécanismes mis en jeu sont amplement détaillés dans le chapitre consacré au

comportement acoustique. Ce paragraphe présente de manière succincte les quelques éléments

permettant de cerner les enjeux de cette étude.

Lorsqu’un son est émis, une onde acoustique se propage dans l’air jusqu’à atteindre un

obstacle. Lorsque cette onde incidente rentre en contact avec un matériau, deux ondes sont

créées : une onde réfléchie qui se propage dans le même milieu que l’onde incidente, une

onde transmise qui traverse le matériau de part en part. Un traitement acoustique est une

démarche qui va influer soit sur l’onde transmise, soit sur l’onde réfléchie de façon à

améliorer l’acoustique d’un local.

L’isolation acoustique vise à limiter la transmission des sons de part et d’autre d’un

matériau. Cette isolation est généralement réalisée par de matériaux de forte densité car leur

inertie fait qu'ils sont plus difficilement mis en mouvement par les ondes acoustiques. Ils

génèrent donc moins d’ondes transmises par vibrations. Les bétons légers, comme leur nom

l’indique, ne fonctionnent pas par cet effet de masse.

On peut également limiter la transmission du son en imperméabilisant la surface du

matériau. Les ondes sont alors réfléchies et renvoyées vers la source émettrice. Les matériaux

peu perméables sont donc de bons isolants, dans le sens où ils empêchent la transmission du

son entre deux pièces contiguës. Cependant, les ondes réfléchies viennent perturber

l’intelligibilité du discours dans le local, en créant des interférences.

La troisième façon d’agir sur les ondes acoustiques est l’absorption. Les matériaux

amortissement les sons par dissipation visqueuse. Cependant, ce mécanisme de dissipation

d’énergie suppose que les ondes puissent pénétrer dans le matériau et disposer d’un espace

- 45 -

suffisant pour être amorties. Il faut donc une certaine perméabilité et une porosité ouverte

importante.

La perméabilité Π d'un matériau homogène, se définit à partir de la loi de Darcy, qui

relie le débit du fluide traversant à la perte de charge et à la surface traversée. Dans le cas

d’un écoulement non turbulent dans un milieu isotrope, on a :

P - v ∇Π= η (I.10)

lS ∆

∆Π= P Q η (I.11)

avec v : vitesse d’écoulement du fluide (m.s-1)

Π : coefficient de perméabilité du matériau (m2)

η : viscosité dynamique du fluide (Pa.s)

Q : débit volumique du fluide

∆l : épaisseur du matériau poreux (m)

S : section de passage du fluide (m2)

∆P = P2 – P1 : différence de pression appliquée sur chaque face de l’échantillon (Pa)

Lorsque le fluide traversant le poreux est de l’air, on utilise comme paramètre la

résistance au passage de l’air σ. Elle peut se calculer directement à partir des mesures

réalisées sur un perméamètre, grâce à la relation :

PP - 2 SQl∆= 1σ (I.12)

σ varie entre 1 000 et 300 000 Pa.s.m-2 pour les matériaux poreux couramment utilisés en

génie civil. En combinant (IV.11) et (IV.12), on en déduit la relation de passage entre

résistivité à l’air et perméabilité macroscopique :

ση1=Π (I.13)

Le pouvoir absorbant d’un matériau se caractérise par le coefficient d’absorption α.

Quand α = 1, toute l’énergie de l’onde incidente est dissipée donc le son est entièrement

amorti. Quand α = 0, le son n’est pas amorti du tout. Ce coefficient α dépend de la fréquence.

En général, il est mesuré sur toute la gamme de fréquences, puis moyenné sur des bandes de

fréquences appelées octaves. Ceci permet de comparer plus facilement les matériaux entre

eux. Parmi les bétons légers, seul le béton de bois est utilisé actuellement pour ses qualités

acoustiques, car il représente un bon compromis entre une certaine masse volumique et une

bonne capacité d’absorption. La Fig.I. 12 permet de comparer le coefficient d’absorption α du

- 46 -


béton de bois STRUCTA (panneau double faces commercialisé par Béton Bois Système),

celui du béton cellulaire Siporex (mesures LGM), et ceux du béton peint, de la brique, du

contre-plaqué et du plâtre (mesures CEBTP). Au delà de 400 Hz, le béton de bois absorbe

plus de 80 % de l’énergie de l’onde incidente, ce qui traduit une atténuation très importante du

son. Seul 20 % de l’énergie acoustique incidente est réfléchie par le matériau. Le pouvoir

absorbant du béton de bois est deux à trois fois plus élevées que celui des autres matériaux de

construction rencontrés usuellement dans le bâtiment.

Fig.I. 12: Coefficient d’absorption acoustique α par octave de quelques matériaux (LGM et CEBT)

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

125 250 500 1000 2000 4000

Fréquence (Hertz)

α

Panneaux Béton Bois Système - Mur double face STRUCTA - e=13cmBéton Cellulaire Siporex (e=5cm)Béton peintContre-plaquéBriquesPlâtre

perméabilité Π (m2)ρ (kg/m3) porosité φ

Contre-plaqué 700 - -

8% 10-16 à 10-18

52% -

75 à 82% 1 à 4.10-14

36% -

Béton hydraulique 2330

Béton argile expansé 1600

Béton cellulaire 350 à 650

Béton de bois 600 à 900

Brique 1800 - - < 0,05

α

0,10 à 0,40

0,30 à 0,40

-

0,21 à 0,32

> 0,55

Tab.I. 9 : Caractéristiques acoustiques de quelques matériaux

- 47 -

En conclusion, la porosité globale d’un matériau n’explique pas à elle seule une bonne

ou une mauvaise absorption acoustique. Le béton cellulaire par exemple possède une forte

porosité mais il n’absorbe pas plus de 40 % du son, car il est peu perméable. L’onde sonore ne

parvient pas à pénétrer dans le matériau et ne peut donc pas être amortie. Il en est de même

pour le plâtre et la brique dont les surfaces sont peu perméables. L'étude du comportement

acoustique devra donc prendre en compte ces deux paramètres simultanément, afin d'analyser

les données expérimentales recueillies (chapitre 4).

2. CARACTERISATION EXPERIMENTALE DES CONSTITUANTS

Le béton de chanvre est un mélange dans des proportions très variables de deux

constituants de nature très différente, à savoir un granulat d’origine végétale et un liant à prise

hydraulique et aérienne. Les caractéristiques de chacun des composants sont exposées dans un

premier temps, avant d’aborder les propriétés du mélange.

2.1. Le liant

2.1.1. Composition chimique

Les deux liants utilisés sont composés d’un mélange de chaux hydraulique et de chaux

aérienne. Le premier liant s’appelle le T70 et le second le Tradichanvre, ce qui correspond à

la dénomination commerciale de ces produits. Les compositions massiques et volumiques

sont indiquées ci-dessous (Tab.I. 10). Le signe * dans T70 indique que ce liant contient

environ 10 % en volume de pouzzolanes (inclus dans la chaux hydraulique).

chaux hydraulique

chaux aérienne sable chaux

hydrauliquechaux

aérienne sable

T70* 37% 63% - 25% 75% -Tradichanvre 22% 58% 20% 10% 55% 35%

MASSE VOLUME

Tab.I. 10: Composition chimique des liants T70 et Tradichanvre

Les proportions sont de 1/3 de chaux hydraulique pour 2/3 de chaux aérienne. Compte

tenu des mécanismes de prise différents pour les deux types de chaux, ceci laisse présager

d’un durcissement en deux étapes. De plus, le liant contient des ajouts parmi lesquels un

entraîneur d’air, qui explique la porosité observable sur les échantillons après prise (Fig.I.13,

- 48 -


I.14 et I.15). Le T70 entre dans la composition du béton de chanvre et le Tradichanvre est

utilisé pour formuler des enduits.

Fig.I. 13 : Coupe d’un échantillon de T70 après sa prise

Fig.I. 15 : Pores de taille microscopique dans le liant T70

Pores de diamètre 0,1 mm

Fig.I. 14 : Pores de taille mésoscopique dans le liant T70

10 µm

- 49 -

- 50 -

Les trois figures montrent les différentes tailles de pores observables dans le liant pur.

On note l’existence de deux échelles distinctes avec des pores de diamètre de l’ordre du

micromètre (échelle micro), des pores de diamètre de l’ordre du dixième de millimètre

(échelle meso). Ces tailles de pores faibles vont entraîner des pressions de capillarité élevées

donc des hauteurs de remontées capillaires importantes. Le liant T70 possède donc une

sensibilité à l’eau dont il faudra tenir compte dans l’étude. Des conclusions identiques sont

obtenues pour le Tradichanvre.

Fig.I. 16 : hauteur de remontées capillaires pour des pores de diamètre compris entre 1µm et 1 mm

2.1.2. Prise de la chaux

La chaux est obtenue par décomposition du calcaire sous l’effet de la chaleur

[LAFUMA, 64]. Ce processus de décomposition permet d’obtenir les deux formes de chaux

(aérienne et hydraulique) présentes dans les liants.

La chaux aéri 2 ur à plus de 900°C,

effectue sa prise (dite « prise aérienne ») par carbonatation de la chaux vive (CaO) avec le

CO2 de l’air en milieu humide. En effet, la vapeur d’eau et le CO2 forment de l’acide

carbonique. La chaux fixe ensuite le CO2 contenu dans cet acide pour permettre l’apparition

du calcaire. Cette prise démarre rapidement mais le phénomène ralentit par la suite et s’étend

sur plusieurs années.

0

37

53

66

78

90

0,0010,010,050,10,51

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Hauteur remontées capillaires (m)

angle de mouillage (°)

Diamètre capillaires (mm)

9-108-97-86-75-64-53-42-31-20-1

enne Ca(OH) obtenue par calcination du calcaire p


- 51 -

phénomène de double prise. Dans un premier temps, il se

produit un durcissement à l’eau, relativement rapide (1 mois environ). Puis, dans un second

temps, un durcissement à l’air (dû au CO2), beaucoup plus lent, s’étend sur plusieurs années.

La présence de ces deux formes de chaux explique la cinétique de prise globalement

lente communément admise. En effet, une première prise à court terme est assurée par la

réaction entre les silicates de calcium (ou aluminates et ferro-aluminates de calcium) et l’eau

qui forment des hydrates insolubles ainsi que de la chaux aérienne. Ces éléments confèrent au

liant des propriétés mécaniques à court terme, tandis que les propriétés à long terme sont dues

à la

ge du liant pur

stitue le séchage.

s dans le temps. A partir de ce premier résultat, on peut ensuite accéder

+ CO2 (milieu humide)

La chaux hydraulique est obtenue par calcination d’un calcaire riche en silice et oxyde

de fer. Cette chaux présente un

Chaux aérienne Ca(OH)2

Calcaire CaCO3

+ H2O

+ CO2 (milieu humide)

Chaux hydraulique

2CaO,SiO2

Ca(OH)2

CaO,SiO2nH2O

Chaux aérienne Ca(OH)2

Calcaire CaCO3

réaction de carbonatation de la chaux aérienne.

2.1.3. Cinétique de sécha

Le liant pur à l’état frais contient une forte proportion d’eau (52,5 % en volume). Une

partie de celle-ci est utilisée pour hydrater la chaux, c’est la prise. L’eau restante se vaporise

progressivement vers le milieu extérieur, ce qui con

2.1.3.1 Les étapes du séchage

Le séchage est dû à l’effet combiné de plusieurs phénomènes d’origine physique

couplés entre eux (transferts de masse, changements de phases) [CRAUSE & al., 81]. En

pratique, la démarche la plus simple pour étudier le séchage est de suivre l’évolution de la

masse des échantillon

aux données caractéristiques de la cinétique de séchage à savoir le pourcentage de pertes

assiques, la teneur en eau massique, la vitesse d’évaporation.

Définition des paramètres caractéristiques

Lors du suivi du séchage, on obtient une première courbe donnant la masse en

fonctio

m

n du temps : M = f(t). Afin de pouvoir comparer les échantillons entre eux, on utilise le

pourcentage massique de perte qui vaut :

100)(100%0

00

- M

MM

tMMpertes =∆= (I.14)

avec M0 : masse initiale de l’échantillon (en g)

M(t) :masse de l’échantillon au temps t (en g)

a vitesse d’ Vévap. est définie comme la quantité d’eau qui disparaît, rapportée à

surface de séchage et au temps écoulé.

L évaporation

la

séchage∆t S

∆Map =.évV en g/(j.m2) (I.15)

avec ∆ se eau perdue entre t1 et t2 en g

∆t = t2 – t1 = temps entre deux pesées en jours (j)

a zone diffusionnelle, située à la surface du matériau, permet la remontée d’eau

ilieu extérieur. La zone à

teneur en eau initiale se situe, quant à elle, dans la partie la plus éloignée de la surface. Elle

zone

aintenir

ontient suffisamment d’eau pour alimenter la

« zone diffusionnelle », la vitesse de séchage reste constante.

M = mas

Sséchage = surface de séchage (en m2)

Le mécanisme du séchage [WHITAKER, 77] [DERDOUR, 98]

Initialement, le matériau contient une quantité d’eau homogène dans toute la

géométrie de l'échantillon. Deux zones peuvent être définies dans le matériau : une zone

diffusionnelle et une zone à teneur en eau initiale.

L

liquide par capillarité, sa vaporisation et son évacuation vers le m

alimente la zone diffusionnelle par effets capillaires, jouant le rôle de réservoir.

Lorsque le matériau sèche, il se produit une migration de l’eau vers la «

diffusionnelle ». Cette eau s’évapore et il est nécessaire d’alimenter la surface pour m

l'équilibre hydrique. Tant que le matériau c

A partir d’une teneur en eau dite critique, l’eau liquide ne peut plus rejoindre la

surface. Un gradient de teneur en eau se développe et la vitesse de séchage décroît. Cette

dernière est gouvernée par la diffusion de vapeur. Une zone sèche apparaît en surface du

- 52 -


matériau, la zone diffusionnelle s’éloigne de la surface en gardant quasiment la même

épaisseur et la zone à teneur en eau initiale décroît, jusqu’à disparaître à la fin du séchage.

2.1.3.2

principalement des conditions thermodynamiques

extérieures et de la microstructure du matériau. La cinétique

non seulement des conditions extérieures mais également de la géométrie du matériau, de la

surface de séchage, d

Composition des liants T70 et Tradichanvre à l’état initial et final

air-mètre sur du T70 ont mis en évidence une forte

résence d’air au moment de la fabrication (phase

porosité initiale autour de 14 % pour les masses volumiques de liant voisines de 1450 kg/m3.

ir-mètre, en

remont

Résultats expérimentaux

Lors de l’étude du séchage deux aspects doivent être pris en compte : l’état final du

matériau et la cinétique du phénomène. L’état final du matériau, c’est-à-dire lorsqu’il est en

équilibre avec le milieu extérieur, dépend

de séchage dépend quant à elle

e la porosité.

Des mesures réalisées à l’aide d’un

p fluide). On obtient expérimentalement une

Fig.I. 17 : Porosité du liant T70 à l’état frais mesurée à l’air-mètre

La composition finale du liant pur est calculée par une approche simplifiée. La masse

volumique des grains de liant ρgrains_liant est prise égale à 2700 kg/m3. Cette valeur correspond

à une phase minérale classique. Elle est vérifiée à partir des mesures à l’a

ant aux valeurs de la masse volumique de la poudre. De plus, les variations de volume

des échantillons sont négligées car elles sont du même ordre de grandeur que la précision de

la mesure géométrique (Fig.I.18). Ceci revient à considérer que le volume d’eau évaporée est

intégralement remplacé par de l’air.

Des essais de retrait libre ont été réalisés sur des échantillons de béton de chanvre de

formulation A4-1 (19 % de liant en volume). On a suivi l’évolution du déplacement axial et

0%1430 1440 1450 1460 1470

ρ (kg/

5%

10%

Por

o

20%

15%

m3)

sité

- 53 -

du déplacement radial sur des éprouvettes cylindriques 16 x 32. On mesure une contraction

radiale de l’ordre de 7 mm/m et un tassement de l’ordre de 16 mm/m.

Fig.I. 18 : Déformations axiales et radiales lors du séchage de A4-1 [CEREZO, 00]

On obtient par calcul une proportion finale d'air de l’ordre de 45 % à T = 20°C et

HR = 50 %. Après séchage en étuve à T = 60°C pendant 7 jours consécutifs, cette proportion

dépasse les 50 % (Fig.I.19). L’écart entre ces deux mesures correspond au phénomène de

sorption-désorption. La quantité d'eau résiduelle après séchage (≈ 15 % en volume)

correspond à l'eau liée dans le matériau.

R

obtient

Le liant Tradichanvre est constitué de chaux hydraulique, de chaux aérienne et de

sable. Les mêmes hypothèses de calculs sont faites :

− ρgrains_liant = 2700 kg/m3 (ρsable = 2650 kg/m3)

− pas de variation du volume total

A l’état frais, le Tradichanvre présente une masse volumique moyenne ρ de

1750 kg/m3 soit une proportion initiale d'air de 7 %. A T = 20°C et H ambiant = 40 %, on 3 ρ ≈ 1400 kg/m soit une proportion d'air de l’ordre de 42 %. Après séchage en étuve,

cette proportion atteint 48 % (Fig.I. 20).

00 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

200

400

600

160

jours

800

1000

1200

1400

0

ε (x1

e5)

1800

AXIAL

RADIAL

A4 - 1 / 19 %

- 54 -


Fig.I. 19 : Composition massique et volumique du T70 à l’état frais et après séchage à l’air ambiant (HR = 40 %) et à HR = 0 %.

radichanvre à l’état frais et après séchage à l’air ambiant HR = 40 % et à HR = 0 %.

M (kg) V (m3) M (kg) V (m3)

0 air 0,1311450 1,000 1130 1,000

M (kg) V (m3)

150 eau 0,150

1075 1,000

925

925 grains liant

205

grains liant 0,344

0,344

% (ambiant)

HR = 0%

eau

grains liant 0,344925

525eau 0,205

0,4510

0 air 0,506

0,525

air

Liant frais HR = 40

M

47 1,000 1398 1,000

(kg) V (m3) M (kg) V (m3)

98 eau 0,098

0 air 0,070

1300 grains liant 0,483

447 0,447eau

1300grains liant 0,483

Fig.I. 20 : Composition massique et volumique du T

17

M (kg) V (m3)

Liant frais HR = 40% (ambiant)

0 air

0,483

0,419

HR = 0%

40 eau 0,040

1340 1,000

0 air 0,477

grains liant1300

- 55 -

Conditions de réalisation des essais

La cinétique de séchage des liants a été étudiée sur 65 échantillons, conservés dans des

moules cylindriques en carton étanche de 11 cm de diamètre et 22 cm de hauteur et stockés

dans une salle maintenue à T = 20°C et HR = 50 %. Le séchage s’effectue uniquement par la

face supérieure des éprouvettes, mesurant 100 cm2. Les pesées sont réalisées en préambule

des essais de caractérisation mécanique. On obtient ainsi les variations de masse des liants,

pour diverses échéances comprises entre 7 jours et 24 mois.

Courbes expérimentales de séchage

La cinétique du séchage des deux liants est étudiée au travers de quatre courbes,

représentant :

- le pourcentage de pertes massiques en fonction du temps (Fig.I.21)

- la teneur en eau massique ω en fonction du temps (Fig.I.22)

- la vitesse d’évaporation en fonction du temps (Fig.I.23)

- la vitesse d’évaporation en fonction de la teneur en eau massique (Fig.I.24)

Ces courbes permettent de s vitesses de séchage sont

constantes et les teneurs en eau critique pour chaque liant.

définir les périodes durant laquelle le

0

5

10

15

20

25

0 5 10 15 20 25MOIS

% p

erte

s m

assi

ques

Liant T70Liant Tradichanvre

Fig.I. 21 : Pourcentage massique de pertes du T70 et du Tradichanvre en fonction du temps

- 56 -


0%

5%

10%

25%

30%

35%


15%

20%

0 25

ω (%

)

5 10 15 20MoisFig.I. :

Fig.I. 23 : Vitesse d’évaporation de l’eau en fonction du temps

22 Teneur massique en eau ω du T70 et du Tradichanvre en fonction du temps

0

100

200

300

400

500

0 5 10 15 20 25MOIS

V éva

p (g/

(j.m

²)) .

600


PERIODE OU LA VITESSE

D'EVAPORATION EST CONSTANTE

- 57 -

0

100

200

300

400

500

600

0% 5% 10% 15% 20% 25% 30% 35%ω (%)

V éva

p. (g

/(j.m

²))


TENEUR EN EAU CRITIQUE

Fig.I. 24 : Vitesse d’évaporation de l’eau en fonction de la teneur en eau ω du matériau

Interprétation des résultats

Les courbes correspondant au séchage des deux liants montrent un découpage

temporel en quatre étapes au cours desquelles la cinétique du phénomène varie.

La première étape dure 1 mois environ pour chacun des deux liants. Elle correspond à

une perte d’eau importante dans le matériau, avec une vitesse d’évaporation très élevée. Les

teneurs en eau ω sont initialement de 37 % pour le T70 et de 36 % pour le Tradichanvre. Les

teneurs en eau ω au bout d’un mois sont de 26 % pour le T70 et de 19 % pour le

Tradichanvre. En calculant le volume d’eau correspondant à ces variations de teneurs en eau,

on trouve que les deux liants ont perdu un volume d’eau équivalent, de l’ordre de 0,11 m3

d’eau par m3 de liant frais.

La deuxième étape correspond à la période de séchage à vitesse Vévap constante. Cette

phase correspond au transfert interne d’humidité vers la surface par effets capillaires. Elle

s’étend de 1 à 4 mois pour le Tradichanvre et de 1 à 9 mois pour le T70. Cette différence

s’explique par une quantité d’eau initiale plus importante dans le T70 par rapport au

Tradichanvre, qui p urface en eau. Les

onditions externes (géométrie, surface de séchage) jouent un rôle prépondérant au cours de

ossède donc une réserve plus faible pour alimenter la s

c

- 58 -


cette étape. Les deux vitesses Vévap obtenues, sont très proches, ce qui s’explique par des

conditions hydriques externes identiques pour les deux liants.

La troisième étape s’étend de 4 à 15 mois pour le Tradichanvre et de 9 à 24 mois pour

le T70. Le cœur du matériau ne contient plus assez d’eau pour compenser les pertes de surface

et la vitesse Vévap décroît lentement. Cette étape est plus courte pour le Tradichanvre car la

quantité d’eau disponible est plus faible que pour le T70.

La dernière étape correspond à un état d’équilibre hydrique du liant dans des

conditions thermodynamiques ambiantes. On peut considérer que le séchage des échantillons

est terminé au bout de deux ans.

2.1.4. Propriétés mécaniques du liant pur

Les deux liants présentent un comportement à la rupture de type fragile. Pour chaque

échéance, des essais de compression monotone et cyclique sont réalisés pour obtenir les

valeurs de σmax (maximum de contrainte supporté par le matériau), E (module d’Young), ν

(coefficient de Poisson),

paramètres sont définis précisément dans le chapitre consacré au comportement mécanique du

béton de chanvre.

εσmax (déformation au niveau du maximum de contrainte). Ces

3σmax

Fig.I. 25 : Micro-fissuration du Tradichanvre

00 0,002 0,004 0,006 0,008 0,01 0,012 0,014 0,016εaxial

0,5

2,5

σ (M

Pa)

1

1,5

2DISCONTINUITE DUE A

LA MICRO-FISSURATION

εσmaxE

- 59 -

Au cours d’un essai de compression monotone, des discontinuités associées au

développement de micro-fissurations sont observables en amont du maximum de contraintes

admiss

ns les échantillons. En revanche, ce

compo

et une amélioration progressive de la résistance mécanique

(σmax) et de la rigidité du matériau (E), et une réduction de la déformation à la rupture (εσmax).

s liants a nécessité la mise en place d’un

suivi temporel des caractéristiques mécaniques (Fig.I. 26 et Fig.I. 27). Les essais sur le T70

montrent que la prise n’est pas tout à fait term

Fig.I. 26 : Essais de compression sur liant T70 pur entre 14 jours et 15 mois

ibles (Fig.I. 25). La détermination du module d’Young E des liants sera donc faite pour

des déformations de l’ordre de 0,4 % de façon à toujours se positionner avant l’apparition des

discontinuités dans la monotonie de la courbe. Cette micro-fissuration est systématique sur le

Tradichanvre compte tenu de la forte présence de sable da

rtement est peu observable sur le T70.

De plus, le comportement du liant est évolutif avec une hydratation progressive de la

chaux lors de la prise, qui perm

L’absence de résultats sur la durée de prise de ce

inée à 15 mois. Des essais supplémentaires sont

en cours afin de confirmer l’hypothèse selon laquelle le niveau final de caractéristiques est

proche. Les essais sur Tradichanvre montrent deux paliers dans l’évolution des

caractéristiques avec une stabilisation vers 3 mois et une autre vers 6 mois. Le niveau final de

performances semble atteint.

0

1

2

3

4

5

6

0 0,005 0,01 0,015 0,02εaxial

σ (M

Pa) TEMPS 14 jours2 mois

6 mois

12 mois15 mois

- 60 -


1,5σ

2

2,5

3

3,5 (M

Pa)

TEMPS

4 mois

12 mois

9 mois

6 mois 1 mois

0

0,5

1

0 0,002 0,004 0,006 0,008 0,01 0,012 0,014 0,016 0,018 0,02εaxial

- 61 -

les comparées à celles d’autres matériaux du génie civil. Ceci

Des mesures de conductivité thermique λ ont été effectuées sur du liant T70

préalablement séché à l’étuve à T = 60°C. Les résultats montrent que ce liant est un

conducteur moyen par rapport aux autres matériaux du génie civil. Pour des valeurs de masse

Fig.I. 27 : Essais de compression sur liant Tradichanvre pur sur 1 an

Enfin, les caractéristiques mécaniques maximales atteintes dans le laps de temps de

l’étude sont relativement faib

laisse donc déjà présager du fait que le béton de chanvre sera difficilement utilisable en tant

que matériau porteur (Tab.I. 11).

Tab.I. 11 : Comparaison des caractéristiques mécaniques de matériaux de génie civil

Les essais de compression réalisés sur le liant pur ont permis de mettre en évidence

des résistances mécaniques modérées en comparaison de celles des autres liants. En revanche,

les niveaux de déformations supportés sont plus importants, ce qui devrait permettre au liant

de mieux s’adapter à la compressibilité du granulat végétal que ne le ferait un liant comme le

ciment par exemple.

2.1.5. Propriétés thermiques

3 mois

σmax (MPa) εσmax (m/m) E (GPa)

5 100.10-4 0,53 100.10-4 0,3

10 5.10-4 20

T70TradichanvreMortier de ciment

volumique ρ = 1050 kg/m3, on mesure des conductivités λ = 0,24 W/(m.K). Des essais

identiques menés sur du Tradichanvre par [SAMRI, 04], donnent une conductivité

λ = 0,28 W/(m.K) pour ρ = 1400 kg/m3.

2.1.6. Propriétés acoustiques

Le liant T70 possède une porosité non négligeable une fois la prise terminée

puisqu’elle avoisine les 44 %. Des mesures du coefficient d’absorption α sont réalisées dans

la gamme de fréquences 100 à 2000 Hz à l’aide d’un tube à ondes stationnaires (tube de

Kundt). Les valeurs obtenues sont de l’ordre de 0,25 c’est-à-dire que 25 % du son environ est

absorbé par les échantillons de liant pur. Ces faibles niveaux de performances peuvent

s’expliquer par une perméabilité peu élevée du liant. Le réseau poreux est constitué de micro-

bulles d’air occlus à la manière de celui du béton cellulaire. Les ondes sont donc réfléchies sur

la surface peu perméable des échantillons et ne peuvent pas pénétrer dans le matériau pour

s’amortir. Le liant Tradichanvre a un coefficient d’absorption

eci p

α variant entre 0,15 et 0,20.

C ourrait s’expliquer par la présence de sable dans le mélange qui rendrait le

Tradichanvre plus imperméable que le T70.

0,45

Fig.I. 28 : Comparaison des coefficients d’absorption de différents matériaux de construction

0,00125 250

0,05

0,25

0,30

0,35

0,40

500 1000 2000

α

0,10

0,15

0,20Siporex (5cm)T70 - 10 cmT70 - 20 cmTradichanvre - 10 cmPlâtreBriques

Hertz

- 62 -


2.2. Les particules de chanvre

2.2.1. Historique sur le chanvre

Le chanvre ou « Cannabis Sativae » est une plante annuelle et herbacée de la famille

qualité

2.2.2. Processus d’obtention des granulats végétaux

La plante de Cannabis est constituée en deux parties : les graines, la tige. Les graines

ou chènevis sont utilisées dans l’alimentation animale, dans la fabrication d’huile siccative

destinées aux peintures ou pour des produits pharmaceutiques.

des Cannabinacées, utilisée depuis plus de 6000 ans. Elle était en particulier très prisée pour la

de ses fibres. Sa production a fortement varié dans les siècles précédents. Au XVIIIème

siècle, la surface cultivée avoisinait les 180 000 hectares et les utilisations allaient du textile à

la papeterie en passant par la toile ou les cordages. Cette surface a diminué peu à peu compte

tenu de la concurrence de nouveaux matériaux comme le coton ou plus tard les fibres

synthétiques. Elle est tombée à quelques dizaines d’hectares dans les années soixante avant de

connaître un certain renouveau dans les années soixante dix. Actuellement, les subventions

européennes attribuées dans le cadre de la valorisation de certains produits issus de l’éco-

culture ont permis de développer plusieurs zones de production parmi lesquelles celle située

dans l’Aube, qui a fourni les granulats végétaux utilisés dans cette étude. La surface cultivée

annuellement en France est de l’ordre de 8000 ha.

EPIDERME CORTEX BOIS MOELLE

Fig.I. 29 : Photographie en microscopie électronique à balayage d’une coupe transversale de tige de chanvre [GARCIA-JALDON, 95]

- 63 -

La tige quant à elle se décompose en quatre zones [GARCIA-JALDON, 95] :

- l’épiderme : couche de cellules à paroi cellulosique

- le cortex : zone contenant les fibres corticales regroupées en faisceaux servant

à la fabrication des fibres de chanvre

- le bois ou xylème : cellules du parenchyme, fibres et vaisseaux conducteurs

assurant la conduction de la sève montante et servant à la fabrication des

granulats végétaux

- la moelle :parenchyme médullaire

Le bois est utilisé pour la fabrication des particules végétales de chanvre.

Historiquement, ces dernières étaient un simple sous-produit de la fibre de chanvre alors que

maintenant elles sont considérées comme un élément essentiel de la plante.

Le processus d’obtention des particules végétales se décompose en trois étapes :

- cueillette et séchage des plants de cannabis

- teillage et défibrage mécanique de la tige pour séparer les fibres corticales

(filasses) et le bois

- traitement du bois pour obtenir les particules végétales : dépoussiérage,

s (pectines) afin de libérer ces

dernières des impuretés. Cependant, le rouissage en extérieur ou dans des étangs pose des

problèmes de rentabilité et de pollution. En effet, dans le cas du rouissage sur champ, les tiges

sont laissées sur place et elles sont dégradées sous l’effet des intempéries. L’efficacité du

procédé est donc soumise à l’aléa climatique. Le contrôle de l’état d’avancement est

exclusivement empirique et nécessite une attention constante. Pour ce qui est du rouissage

dans l’eau, le procédé consiste en une immersion pendant plusieurs jours des tiges dans des

bassins, souvent des étangs voire des cours d’eau. Or, la dégradation du chanvre génère des

effluents qui posent un réel problème d’environnement en détériorant la qualité du milieu

aquatique. Les industriels se sont alors tournés vers des solutions chim plus ou

moins de succès. Récemment, un brevet a été déposé par Sharma mettant en œuvre des

composés modérément agressifs comme l’EDTA (ethylènediaminetétraacétate).

met la

découpe et le calibrage des obtient ainsi les particules

séchage, calibrage et découpe de la tige

Par le passé, le « nettoyage » des fibres de chanvre se faisait par rouissage soit

directement sur les champs où la plante était cultivée, soit dans l’eau. Des micro-organismes

naturels (enzymes) dégradaient les composés entourant les fibre

iques avec

Puis, le défibrage mécanique est réalisé sur une chaîne de production, qui per

particules de manière industrielle. On

- 64 -


de cha le de la

particule et celui de chènevotte fera référence aux particules de chanvre en vrac.

Les particules végétales ainsi obtenues sont des matières naturelles au même titre que

les granula d

fonction du l

fabrication. A lisation d’un défibrage mécanique au lieu d’un séjour dans

l’eau a netteme it.

eule autorisée en

France compte tenu de son faible taux de tétrahydrocannabinol (substance psychotrope).

2.2.3. a égétales

Les particules végétales ont une forme géométrique du type parallélépipédique. Elles

ont pour dim 3

échantillon de chènevotte (particules en vrac) m

particules.

tout le long de la tige (Fig.I.31). La photo d’une particule a été grossie 200 fois au microscope

nvre. Pour la suite du document, le terme de bois désignera la partie végéta

ts e bois. Elles possèdent donc une certaine variabilité de leurs propriétés en

ieu de production, de la nature de la plante (variété) et du processus de

titre d’exemple, l’uti

nt amélioré les qualités de ce produ

Dans le cadre de ce travail, les particules de chanvre proviennent d’une source unique,

la Chanvrière de l’Aube (chaîne de production et de transformation identique) et d’une variété

de plante de chanvre unique – le cannabis sativae – dont la culture est la s

C ractéristiques physiques des particules v

ensions moyennes 2*0,5*0,2 cm . Une analyse de la granulométrie d’un

ontre une répartition serrée de la taille des

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

0,01 0,1 1 10Maille tamis (mm)

% ta

mis

ats

cum

ulés

Fig.I. 30 : Courbe granulométrique du chanvre en vrac utilisé dans les formulations

Ces particules étant d’origine végétale, elles présentent une forte porosité due aux

nombreux capillaires présents dans leur structure interne qui permettent à la sève de circuler

- 65 -

à balayage électronique pour visualiser ces capillaires. Elle montre la structure tubulaire de la

particule qui peut se modéliser comme un assemblage de cylindres creux accolés les uns aux

utres. Ceci explique la légèreté des particules avec ρpc = 320 kg/m3. La taille des pores dans

la parti

cule est l’air contenu dans la particule

végétal

es diagrammes (Fig.I. 32) indiquent la composition massique et volumique d’une

particu

a

cule est également évaluée sur cette photo. Leur diamètre varie entre 10 et 40 µm.

De plus, des mesures ont montré que la masse volumique de la chènevotte se situe aux

alentours de 130 kg/m3, ce qui signifie que l’arrangement est peu dense. Pour la suite de

l’étude, on pose les trois définitions suivantes. L’air inter-particules représente le volume d’air

situé entre les granulats végétaux et l’air intra-parti

e. Le bois fait référence à la partie végétale de la particule.

100 µm

Fig.I. 31 : Grossissement au microscope à balayage électronique d’une particule de chanvre [GARCIA-JALDON, 95]

L

le et de la chènevotte. On peut noter la part prépondérante occupée par l’air. Une

particule contient environ 78 % d’air en volume. Dans la chènevotte, l’air représente 92 % du

volume total occupé avec une répartition 1/3 – 2/3 entre air intra-particule et inter-particules.

- 66 -


M (kg) V (m3) M (kg) V (m3)

Particule végétale Chénevotte

air inter-particules0 0,594air intra-

particule0 0,784

130 bois 0,088

320 bois 0,216

320 1,000 130 1,000

0,3180 air intra-particule

Fig.I. 32 : Composition massique et volumique d’une particule et de la chènevotte

La présence des capillaires et leur taille vont perlle vont permettre d’expliquer deux

caractéristiques essentielles des particules de chanvre du point de vue comportemental :

- pouvoir absorbant élevé

- compressibilité du granulat

mettre d’expliquer deux

caractéristiques essentielles des particules de chanvre du point de vue comportemental :

- pouvoir absorbant élevé

- compressibilité du granulat

2.2.4. Sensibilité à l’eau de la particule végétale

En premier lieu, les particules étant fortement poreuses comme l’ensemble des

granulats légers, il se pose la question de leur comportement vis à vis de l’eau. Connaissant la

taille des capillaires de la particule végétale, on applique les relations (I.4) et (I.5), puis on

calcule de manière théorique, la hauteur de remontées capillaires en fonction du diamètre des

capillaires et de l’angle de mouillage du liquide sur la surface (Fig.I. 33).

2.2.4. Sensibilité à l’eau de la particule végétale

En premier lieu, les particules étant fortement poreuses comme l’ensemble des

granulats légers, il se pose la question de leur comportement vis à vis de l’eau. Connaissant la

taille des capillaires de la particule végétale, on applique les relations (I.4) et (I.5), puis on

calcule de manière théorique, la hauteur de remontées capillaires en fonction du diamètre des

capillaires et de l’angle de mouillage du liquide sur la surface (Fig.I. 33).

Fig.I. 33 : Hauteur de remontées capillaires dans les particules Fig.I. 33 : Hauteur de remontées capillaires dans les particules

0 26 37 46 53 60 66 73 78 84 90 10

16

22

28

34

400,0

Angle mouillage (°)Diamètre capillaire (µm)

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

Hauteur remontées capillaires (m)

2,50-3,002,00-2,501,50-2,001,00-1,500,50-1,000,00-0,50

- 67 -

Le graphique ci-dessus permet de voir que les hauteurs de remontées capillaires sont

supérieures à la taille caractéristique des particules (de l’ordre du centimètre). L’eau va donc

saturer les particules végétales et la cinétique du phénomène sera rapide.

Pour confirmer ces hypothèses, deux séries de mesures distinctes ont été réalisées,

l’une en 1998 [COUEDEL, 98] et l’autre en 2003 afin d’évaluer la reprise en eau liquide des

particules végétales. Le but était de déterminer le taux de saturation du volume de vides de la

particule et d’avoir un ordre d’idée de la cinétique du phénomène de reprise en eau. Pour cela,

des granul rgés dans

de l’eau, et le gain de m

sèche de particules végétales.

ats végétaux entièrement séchés à T = 80°C pendant deux jours sont imme

asse en fonction du temps est mesuré. A partir de ces valeurs brutes,

on calcule le pourcentage de gain massique comme étant le gain de masse divisé par la masse

100)(0

0 - % massique Gain ×= MMtM (I.16)

avec M(t) :masse de l’échantillon à l’instant t

e

On calcule également le taux de saturation S des granulats et on obtient les graphiques

suivants :

Fig.I. 34 : Gain massique et taux de saturation Sr pour des particules de chanvre sec ([COUEDEL, 98] et CEREZO)

Les deux séries de mesures donnent des résultats cohérents et des valeurs élevées de

gain massique et de taux de saturation. On conclut donc à un fort pouvoir absorbant de la

chènevotte vis à vis de l’eau liquide.

De plus, les granulats sont quasiment saturés au bout de quelques minutes puisque la

quantité d’eau liquide absorbée par les particules sèches est presque équivalente au volume

théorique de vides contenus dans le granulat séché (Sr > 95 % au delà de 5 minutes). Des

pesées ont également été faites au bout d’une heure et la masse des échantillons ne variaient

plus entre 10 minutes et 60 minutes. Concernant la cinétique de ce phénomène de reprise en

eau, on peut consid -delà de 5 minutes

M(t0) :masse sèche de chanvr

r

0%

20%

40%

60%

80%

100%

(%

0 2 4 6 8 10

minutes

Sr)

0%

50%

100%

0 2 4 6 8 10

minutesGai

n m

assi

150%

200%

250%

que

(%)

Cerezo - 2003

Couedel - 1998

érer que les granulats sont en état de quasi-saturation au

- 68 -


d’imme

ant la fine pellicule

d’eau

nées par [GARNIER, 00].

Fig.I. 35 :Isothermes de sorption e anvre à T=20°C [GARNIER, 00]

mbiances de HR supérieur à 50 %. Elles dépassent 10 %.

Cette e

rsion. Cette conclusion prend son importance lorsque seront abordés les problèmes de

formulation et de mise en œuvre du béton de chanvre à la fin de ce chapitre (§ 2.3.4.1). Il faut

noter que les calculs de Sr et de gains massiques sont réalisés en néglige

présente à la surface des granulats et les ménisques d’eau entre deux granulats

consécutifs. Les granulats ont été légèrement secoués pour limiter l’existence de ces

ménisques et pouvoir négliger leur présence dans les calculs. Ainsi, les mesures permettent

d’avoir un ordre de grandeur correct de la cinétique du phénomène.

La sensibilité à l’eau liquide des particules végétales amène à se poser la question du

comportement des granulats vis à vis de la vapeur d’eau présente dans l’air en quantité

variable selon l'hygrométrie du milieu extérieur. Les isothermes de sorption et désorption à

T = 20°C ont donc été détermi

0%

5%

10%

15%

20%

t désorption des particules de ch

En se basant sur ces courbes expérimentales, on constate des valeurs de teneur en eau

massique non négligeables pour des a

au devra donc être prise en compte notamment dans le cadre de l’étude des propriétés

thermiques, puisque l’eau est un excellent conducteur de chaleur. Le fait de ne considérer que

la conductivité sèche λsec des matériaux représente une grosse approximation, peu réaliste

dans le cas des matériaux à base de particules végétales.

25%

30%

35%

40%

0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%

Humidité relative HR (%)

ω (%

)

isotherme de sorption,teneur en eau minimaleisotherme de désorption,teneur en eau maximale

- 69 -

2.2.5. Comportement en compression des particules

Les particules végétales possèdent une forte cohésion intergranulaire à sec. Des

éprouvettes cylindriques (320 mm de haut et 160 mm de diamètre) contenant uniquement des

particules sèches légèrement compactées ont ainsi pu être testées dans le cadre de cette étude

(Fig.I.36). Des chargements monotones et cycliques d’amplitude croissante ont été imposés

aux échantillons. Les courbes représentant la force appliquée en fonction de ∆h/h0 sont tracées

et se s

Le graphique ci-dessous montre la grande compressibilité des particules en vrac.

L’écha

igidification de l’échantillon traduite

ar une augmentation régulière de l’inclinaison de la courbe. Au début de l’essai, la pente

uperposent parfaitement pour les deux types de sollicitations, montrant la parfaite

reproductibilité de ce type d’essai. On a ∆h = h0 – h(t) avec h0 représentant la hauteur initiale

de l’échantillon (m) et h(t) la hauteur de l’éprouvette au fur et à mesure de l’essai (m).

Fig.I. 36 : Éprouvette de chanvre en vrac testée en mécanique

ntillon passe d’une hauteur de 320 mm à moins de 85 mm à la fin de l’essai, sans

parvenir à la rupture (∆h/h0 = 75 %). Les particules s’écrasent petit à petit et la masse

volumique des échantillons passe de 130 kg/m3 à plus de 330 kg/m3. L’écrasement des

granulats est confirmé par les valeurs de masses volumiques. En effet, lorsque ∆h/h0 devient

supérieur à 60 %, la masse volumique de l’échantillon devient supérieure à la masse

volumique d’une particule. On constate également une r

p

- 70 -


vaut 0, MPa environ et à la fin de l’essai elle est de 25 l’ordre de 4,5 MPa soit une

multiplication par 18 de la valeur.

Fig.I. 37 : Essais de compression simple et de compression cyclique sur chanvre sec

La figure I.38 permet de comprendre le comportement de l’empilement de granulats

végétaux lors de l’e

Le dessin 1 correspond à l’empilement initial des granulats en vrac.

compression simple ainsi qu’un réarrangement des particules. Les granulats ont tendance à

De plus, les cycles de charge-décharge font apparaître des boucles d’hystérésis dont la

surface augmente à chaque cycle. Le chemin de décharge est curviligne, ce qui pourrait

s’expliquer par un retard de réponse de l’échantillon dû à la viscosité de l’air, qui circule

difficilement dans et entre les particules. En revanche, le chemin de charge est linéaire et la

pente de la courbe de chargement augmente à chaque cycle, indiquant un raidissement du

matériau sous l’effet de la compression.

0

5

10

15

20

25

30

0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70%

∆h / h0 (%)

Forc

e (k

N)

h = 256 mm

h0 = 320 mm

h = 192 mm

h = 128 mm

ssai de compression cyclique.

Le dessin 2 montre un écrasement des granulats sous l’effet d’une contrainte de

« s’imbriquer les uns dans les autres ».

Le dessin 3 indique les effets de la décompression sur le matériau. Les particules

retrouvent un volume inférieur à leur volume initial car elles subissent des déformations

irreversibles. Les frottements entre les particules empêchent celles-ci de reprendre leur

position initiale dans l’empilement. Le nouvel arrangement granulaire contient moins d’air

inter-particules par rapport à l’état initial, ce qui explique que le volume total de l’échantillon

- 71 -

diminue. Les granulats se « coincent » peu à peu, expliquant un raidissement global de la

structure.

Ce nouvel empilement subit alors un cycle de rechargement, qui va agir

simultanément sur l’élasticité des particules et sur celle de l’arrangement granulaire dans cette

nouvelle configuration (pente linéaire de la charge).

Fig.I. 38 : Schématisation du comportement du chanvre en vrac lors d’un essai cyclique de compression

2.2.6. Comportement thermique

La ductivité

thermique λ, qui explique l’emploi de ce matériau comme remplissage des murs en

rempla

a été mesurée pour différentes masses

volumi es expérimentales

réalisée

forte porosité du chanvre en vrac laisse présager d’une faible con

cement d’autres produits isolants comme le polystyrène ou la vermiculite (Fig.I.39).

La conductivité du chanvre en vrac λc

ques ρc (Tab.I. 12). On note l’excellente cohérence des mesur

s par [CORDIER, 99] à l’ENTPE et le CSTB (Centre Etude des Techniques du

Bâtiment), de manière indépendante.

Mesures expérimentales Valeurs théoriquesλc (W/(m.K)) λc (W/(m.K))

CSTB 110 0,048 0,047ENTPE 155 0,058 0,057

Origine des mesures ρc (kg/m3)

Tab.I. 12 : Comparaison entre les valeurs expérimentales et théoriques de la conductivité thermique du chanvre en vrac pour deux valeurs de masse volumique

- 72 -


Fig.I. 39 : Le chanvre en vrac comme matériau de remplissage dans les planchers et les murs (Mens – 2002)

On constate également l’influence de la masse volumique sur la variation de

entation de 41 % de ρc entraîne une élévation de 20 % du λc

de valeurs inférieures à celle des matériaux de construction usuels (béton cellulaire,

Une méthode théorique d’homogénéisation a ensuite perm

λc. Une

augm , tout en restant dans une

gamme

bois…).

is de définir une loi

d

On obtient ainsi la gamme de variations de la conductivité thermique pour une masse

llement rencontrée pour du chanvre en vrac.

Fig.I. 40 : Conductivité thermique théorique du chanvre en vrac en fonction de sa masse volumique

’évolution de la conductivité en fonction de la masse volumique (Fig.I. 40) [CORDIER, 99].

volumique voisine de 130 kg/m3, valeur usue

0,040

0,045

λ (W

/(

0,050

100 120 140 160ρ chanvre en vrac (kg.m-3)

m 0,055

0,060

0,065

.K))

ModèleExpérience

- 73 -

2.3. Le béton de chanvre

2.3.1. Caractéristiques générales

Le béton de chanvre est un matériau composite obtenu en mélangeant un liant à base

de chaux, des particules végétales et de l’eau. Il présente des masses volumiques initiales

inférieures à 1000 kg/m3 et des masses volumiques sèches allant de 200 à 600 kg/m3, ce qui

est comparable aux valeurs rencontrées dans le cas du béton de bois ou du béton cellulaire.

Ce matériau présente une variabilité de structure en fonction de la formulation

employée, selon que l’un ou l’autre des constituants sera prépondérant dans le mélange.

Lorsque le dosage en liant est faible par rapport à celui en granulats végétaux, le matériau

peut être vu comme un assemblage de particules reliées entre elles par des ponts de liant.

Cette struc e ce type

de matériau sont proches de celles de la particule, c’est-à-dire bon isolant thermique et faibles

caractéristiques m

s particules (effets de tassement à long terme des matériaux de remplissage).

Fig.I. 41 : Béton de chanvre contenant une faible quantité de liant (formulation Toit1)

Lorsque le dosage en liant est fort, les particules sont noyées dans une matrice de liant

continue (Fig.I. 42). Le comportement du matériau se rapproche de celui du liant pur.

ture se rapproche de celle du chanvre en vrac (Fig.I. 41). Les propriétés d

écaniques. Le béton de chanvre faiblement dosé en liant sera plutôt utilisé

comme matériau de remplissage des murs, le liant jouant le rôle de stabilisateur de la

structure. Il évite notamment les variations dimensionnelles de l’ensemble sous le poids

propre de

1 Les caractéristiques de cette formulation seront détaillées dans le § 2.3.4.4

- 74 -


Fig.I. 42 : Béton de chanvre contenant une grande quantité de liant (formulation A3-2)

Entre ces deux dosages extrêmes, la structure du béton de chanvre s’apparente à celle

d’un empilement d’éléments, constitués d’une particule végétale entourée d’un mince film de

liant (Fig.I. 43). Les propriétés de ce type de matériau sont donc intermédiaires entre celles du

liant et celles des particules végétales.

Fig.I. 43 : Béton de chanvre avec un dosage en liant intermédiaire

atériau

ent liées à la st

2.3.2. Propriétés de ce m

Les propriétés sont étroitem ructure et vont donc être assez variables.

Cependa me des

perform

faibles

(plafonnées par les caractéristiques du liant) et ne permettent pas pour l’instant d’en faire un

matériau porteur. Actuellement, une solution avec structure porteuse en bois apparente ou

noyée est employée (Fig.I. 44).

nt, il est possible de donner quelques indications générales, afin de voir la gam

ances, dans laquelle le béton de chanvre se situe.

La résistance en compression et le module de rigidité sont globalement

- 75 -

Fig.I. 44 : Murs en briques préfabriquées avec structure porteuse en bois (Mens, Isère - 2002)

En thermique, la présence des granulats de chanvre améliore les performances en

isolation, la conductivité sèche du matériau final étant inférieure à 0,24 W/(m.K), qui

représente la conductivité du liant seul. De plus, la grande sensibilité à l’eau du matériau va

avoir un impact sur la conductivité thermique. Ce point sera détaillé dans le chapitre 3.

En acoustique, les premiers essais montrent des niveaux d’absorption supérieurs à

50 % pour des fréquences allant de 100 à 2000 Hz. Une étude plus précise exposée au

chapitre 4 complètera ces résultats.

2.3.3. Caractère évolutif des propriétés

La prise du liant s’étale sur plusieurs années (chaux aérienne) comme le montrent les

essais réalisés s percute sur les

aractéristiques du béton de chanvre qui varient dans le temps. Les essais de caractérisation

isés à des intervalles de trois mois en moyenne, pour

une période de conservation comprise entre 21 jours et 24 mois.

blèmes de mise en œuvre sont exposées ci-dessous.

ur le T70 et le Tradichanvre. Cette prise lente se ré

c

des propriétés mécaniques sont donc réal

2.3.4. Fabrication des échantillons

Compte tenu du comportement des constituants du béton de chanvre, un protocole de

fabrication particulier a été mis en place afin de pouvoir réaliser des essais reproductibles et

représentatifs des caractéristiques réelles du matériau [COUEDEL, 98]. Les principales étapes

de la réflexion menée sur ces pro

- 76 -


2.3.4.1 Rôle de l’eau

L’eau introduite dans le mélange frais est divisée en deux parties, l’eau de pré-

mouillage et l’eau de gâchage. L’eau de pré-mouillage a pour rôle d’humidifier les granulats

poreux de façon à neutraliser leur fort pouvoir absorbant et éviter qu’ils ne perturbent par la

suite la prise du liant. L’eau de gâchage sert à l’hydratation de la chaux hydraulique contenue

dans le liant. Les composants sont introduits dans l’ordre suivant :

- chanvre

- eau de pré-mouillage des particules

- liant

- eau de gâchage

Ce choix de mise en œuvre présente un double avantage. Tout d’abord, les particules pré-

mouillé

r leur

volume

e du béton frais

Le m n valseur de 80 litres afin d’obtenir une

bonne homogénéisation des composants, sans les abîmer. Les durées des différentes étapes de

malaxa

es ne monopolisent pas l’eau utile à l’hydratation du liant et ne perturbent donc pas la

prise. Elles jouent également un rôle de réservoir en eau au cours de la prise. Ensuite, elles

deviennent moins sensibles à un écrasement potentiel lors du mélange avec le liant dans le

malaxeur, puisqu’elles sont remplies d’eau. En effet, les particules doivent conserve

initial donc leur porosité pour jouer un rôle du point de vue thermique et acoustique.

2.3.4.2 Mise en oeuvr

élange se fait dans un malaxeur à trai

ge doivent être suffisamment longues pour permettre une bonne homogénéisation et

suffisamment courtes pour éviter de laisser trop d’eau s’évaporer dans l’air ambiant. On

distingue ainsi :

Temps (mn) But malaxage des particules 2 mn séparer les particusèches

les et éviter la formation de petites pelotes végétales

ajout de l’eau de pré-ge

5 mn saturation des particules en eau mouillaajout de la chaux et malaxage 2 mn ajout dmélange

e l’eau de gâchage et 5 mn hydratation du liant et amorce de la prise

Tab.I. 13 : Etapes de fabrication du béton de chanvre

2.3.4.3 Confection des éprouvettes

Le mélange à l’état frais contient une quantité importante de particules compressibles.

Les essais sur le mode de fabrication ont montré qu’il ne fallait pas compacter des couches

- 77 -

d’épaisseur supérieure à 8 cm car cela entraînait une perte d'homogénéité des échantillons sur

la haut

de 200 cm2. Ceci permet

d’arranger les particules sans les endommager. Le processus de réalisation des éprouvettes

peut donc se résu er en trois étapes que l’on répète autant de fois que nécessaire pour remplir

les moules.

- oule sur une épaisseur de 7 à 8 cm

m d’épaisseur sont fabriquées. En acoustique, des prismes de hauteur 10, 20 et 30 cm et de

cm sont util chantillons sont liées aux dispositifs de

mesures (boîtes therm

s’est attaché à chaque f

travailler sur le même matériau (structure microscopique comparable).

s co ns d ent rencontrées

tte d n de hanvre séchant dans un mur est soumise à une

ace les vec le

érieur. En disposant les éprouvettes horizontalement sur des étagères, on se retrouve

dans une configuration identique avec les côtés isolés de l’ambiance extérieure.

En revanche, les dalles des mesures thermiques sont démoulées au bout de 24 heures

La cinétique du phénomène de séchage n’a

guère d

eur de l’éprouvette. En effet, les frottements du matériau contre les parois du moule

sont importants et entraînent un tassement non homogène des couches trop épaisses de

matériau frais. De plus, dans un souci de reproductibilité, les échantillons sont tassés à l’aide

d’une presse electromécanique de type M.T.S. sous une contrainte de compactage de 0,05

MPa, ce qui correspond à une force de1 kN pour une surface

m

Verser du béton de chanvre dans le m

- Réarranger les granulats grossièrement à la main

- Compacter avec la presse MTS sous 0,05 MPa

Dans le cadre de cette thèse, plusieurs moules ont été utilisés selon le type d’essais à

réaliser. En ce qui concerne les aspects mécaniques, des moules cylindriques en carton sont

utilisés (hauteur 320 mm et diamètre 160 mm). En thermique, des dalles de 27 cm de côté et 5

c

côté 8,5 isés. Ces différentes tailles d’é

iques, tube de Kundt) dont les dimensions sont imposées. Toutefois, on

ois à ne pas choisir de moule de taille trop petite vis à vis de la taille

des hétérogénéités (i.e. les particules dont la taille caractéristique est de l’ordre du

centimètre). On a ainsi des échantillons représentatifs des propriétés globales du béton de

chanvre. L’utilisation du même procédé de fabrication, quel que soit le moule, permet de

Les éprouvettes testées en mécanique sont conservées dans leur moule dont le fond a

été retiré afin de reproduire le nditio e séchage symétriques, réellem

dans un mur. En effet, une caro e béto c

circulation d’air entre ses deux f

milieu ext

s mais surfaces latérales ne sont pas en contact a

et elles sèchent ainsi jusqu’au moment des essais.

’importance dans ce cas, car la mesure porte sur la valeur finale de la conductivité

thermique (i.e. après prise du liant et après séchage de l’échantillon).

- 78 -


Pour des raisons techniques, il n’a pas été possible de démouler les prismes testés en

acoustique comme cela a été fait en thermique. Ceux-ci sèchent donc dans leur moule, ce qui

ralentit le phénomène et décale d’autant les mesures expérimentales. En effet, il est

indispensable que les échantillons adhèrent parfaitement aux parois pour éviter les vides d’air

qui perturbent les mesures d’absorption au tube de Kundt. L’inconvénient inhérent à ce

dispositif de mesure concerne le rôle de la structure dans le comportement acoustique. On

mesurera l’absorption du béton de chanvre sur un support (le moule) infiniment rigide

(structure multicouche), au lieu de déterminer l’absorption du matériau seul.

Les différents essais effectués au cours des années précédentes ont montré qu’une

exposition à u i le

liant de faire p e ) grâce à la carbonatation

et l’intérieur d l (phénomène de farinage).

’air plus sec contient moins de vapeur d’eau, qui véhicule le CO2 nécessaire à la

carbon

Pour ce qui est du choix des formulations du béton de chanvre, la démarche se

décomp

gâchage d’un

facteur

n a r trop sec provoquait un séchage trop rapide de l’éprouvette empêchant

ris correctement. La surface durcissait (effet de peau

e ’échantillon perdait complètement sa cohésion

L

atation de la chaux. La prise est donc interrompue. A l’inverse, des conditions de

conservation à HR = 100 % ont été testées. La prise durait alors beaucoup plus longtemps et

les moules en carton se dégradaient.

Finalement, les conditions de conservation suivantes ont été choisies :

- Température de 20°C

- Taux d’humidité relative HR de 50 %

Elles correspondent à une ambiance climatique naturelle et permettent de reproduire des

conditions réelles d’utilisation du matériau.

2.3.4.4 Formulations testées

ose en deux étapes.

Dans un premier temps, les quantités d’eau de gâchage et de pré-mouillage à

introduire en fonction de la quantité de liant et de particules employées sont calculées de

manière théorique [COUEDEL, 98]. Puis, une large gamme de mélanges est déterminée en

modifiant les proportions de liant et de particules. A partir de deux formules nommées A3-1

et A4-1 servant de référence, on a fait varier la quantité de liant et d’eau de

k pouvant être 0,75 – 1,5 ou 2. Ceci signifie que l’on a multiplié la quantité de liant et

d’eau de gâchage par k tout en conservant constantes les quantités de particules et d’eau de

pré-mouillage. On obtient ainsi les différentes formulations A3-k et A4-k.

- 79 -

Chanvre Liant A Eau Chanvre Liant A Eau A4-1 110 190 335 17,3% 29,9% 52,8%

A4-1,5 110 285 370 14,4% 37,3% 48,4%A3-0,75 110 198,75 342,7 16,9% 30,5% 52,6%

A3-1 110 265 368,6 14,8% 35,6% 49,6%A3-1,5 110 397,5 420,4 11,9% 42,8% 45,3%A3-2 110 530,8 472,2 9,9% 47,7% 42,4%

Composition massique (kg) Pourcentages massiques initiaux

Tab.I. 14 : Formulations de béton de chanvre initiales

Dans un second temps, trois formulations nommées Toit, Mur et Dalle ont été plus

particulièrement choisies car les caractéristiques de ces matériaux répondaient à des demandes

précises sur les chantiers de construction. Le nom de chaque formulation indique l’usage qui

est fait du matériau dans le cadre d’une habitation. La formulation Toit contient une forte

proportion de chanvre et peu de liant. Elle sert à isoler thermiquement les toitures. Les

formulations Mur et Dalle contiennent une quantité de liant plus importante et possèdent donc

de meilleures caractéristiques mécaniques tout en conservant un bon pouvoir isolant. La

figure I.45 indique les compositions volumiques initiales et finales du béton de chanvre. Les

roportions des différentes phases confirment l’hypothèse initiale de l’existence de structures

différen t calculées en

considérant qu’il n’y a pas de variation globale de volume du béton au cours de la prise et du

s èr asiment saturées à l’état initial et

uit est fabriqué à partir des particules végétales et

u liant Tradichnavre. Une formulation contenant 51 % de liant en masse est donc testée dans

T70 Eau Chanvre T70 Eau TM

p

tes pour le béton de chanvre. Les compositions volumiques son

échage. On consid e également que les particules sont qu

sèches à l’état final.

En plus du béton de chanvre, un end

d

le cadre de cette étude.

Tab.I. 15 : Composition massique à l’état frais des trois bétons de chanvre commercialisés par la Chanvrière de l’Aube

Tab.I. 16 : Composition de l’Enduit à base de Tradichanvre

oit 110 108 221 25,1% 24,6% 50,3%ur 110 225 332 16,5% 33,7% 49,8%

Dalle 110 269 393 14,2% 34,8% 50,9%

Chanvre Composition massique (kg) Pourcentages massiques initiaux

Chanvre Tradichanvre Eau Chanvre Tradichanvre Eau Enduit 110 732 491 8,3% 54,9% 36,8%

Composition massique (kg) Pourcentages massiques initiaux

- 80 -


Fig.I. 45 : Composition volumique initiale (a) et finale (b) du béton de chanvre sous T = 20°C et HR = 50 %

0%

10%

20%

30%

40%

Toit A4-1 A3-0,75 Mur Dalle A3-1 A4-1,5 A3-1,5 A3-2 Enduit

50%

60%

70%

80%

90%

100%

Con

cent

ratio

n vo

lum

ique

Air macroscopiqueAir intra-liantEauLiantAir intra-particuleEau particulesMatière végétale

0%

10%

20%

30%

40%

70%

1

Toit A4-1 A3-0,75 Mur Dalle A3-1 A4-1,5 A3-1,5 A3-2 Enduit

Con

cent

ratio

n vo

lum

ique

80%

90%

00% Air macroscopiqueAir intra-liantEauLiantAir intra-particuleEau particulesMatière végétale

50%

60%

- 81 -

3. CONCLUSION

Ce premier chapitre a dressé un bilan de connaissances sur le comportement des

bétons légers dans les trois domaines abordés dans cette thèse. On a ainsi pu constater le rôle

fondamental de la porosité φ et de la perméabilité Π dans le comportement du matériau. En

mécanique, la présence de bulles d’air a tendance à fragiliser le matériau et à limiter le niveau

de performances. En thermique et en acoustique, l’effet est plus mitigé. D’un côté, la présence

d’air diminue la proportion volumique de matière conduisant la chaleur mais il peut

également générer des transferts par convection dans certains cas. De l’autre côté,

l’augmentation de la porosité et de la perméabilité favorise l’absorption des sons mais permet

en même temps la transmission des ondes acoustiques non absorbées, car l’effet de masse

n’est plus suffisant. La compréhension des caractéristiques nécessite donc de tenir compte

simultanément du rôle de la porosité et de la perméabilité.

De plus, ce chapitre a mis en lumière les spécificités des constituants du béton de

chanvre et les précautions à prendre lors de la fabrication. La compressibilité des particules et

leur fort pouvoir absorbant sont les deux caractéristiques particulières, dont il faudra tenir

compte lors de l’étude des propriétés mécaniques. Le chapitre 2 va en particulier s’intéresser à

leur influence sur la prise du liant et sur le comportement mécanique du béton de chanvre.

- 82 -

Documents

Propriétés mécaniques, thermiques et acoustiques d'un ...csidoc.insa-lyon.fr/these/2005/cerezo/09_chapitre1.pdf · masse volumique sèche s’explique par une expansion plus ou