Études des transferts couplés de chaleur, d’air et d’humidité par des techniques de changement d’échelle (microscopique-macroscopique) : Application à l’évaluation de la performance énergétique et la durabilité des matériaux de construction - La Rochelle Université Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2020

Studies of coupled heat, air and moisture transfers with scale change techniques (microscopic-macroscopic) : Application to the evaluation of energy performance and durability of building materials

Études des transferts couplés de chaleur, d’air et d’humidité par des techniques de changement d’échelle (microscopique-macroscopique) : Application à l’évaluation de la performance énergétique et la durabilité des matériaux de construction

Résumé

The aim of this work is to study the effect of ageing, swelling and hysteresis phenomena on the mechanisms of coupled heat, air and moisture transfer within bio-based materials of building envelopes such as hemp concrete and flax concrete. For this purpose, experimental investigation and numerical modelling have been undertaken.The experimental part was dedicated to a characterization campaign carried out in the laboratory. The goal is to study, on the one hand, the performance of these materials in a healthy state in order to be able to analyse their response to extreme climatic conditions by applying accelerated ageing protocols (immersion/drying, immersion/freezing/drying and humidification/drying). On the other hand, to highlight the impact of the latter on the evolution of material properties and on the hygrothermal and mechanical behaviour of buildings. The analysis of the results showed that the thermo-hydro-mechanical properties of hemp concrete depend on its microstructure and mainly on the cohesion of the binder/hemp concrete interface. Also, observations by digital and scanning electron microscopy highlighted the appearance of cracks at the interfaces and a maximum increase of 6% of the total porosity. These changes in the microstructure led to:(i) A reduction of some values: the moisture diffusion resistance factor, the water buffer (MBV) and the compressive strength (-51%);(ii) An increase in water vapor permeability (+38%) and penetration depth. The chemical analysis performed on the immersion solutions confirmed the presence of Calcium, Potassium and Magnesium. The latter result from the dissolution and leaching of certain hydrates initially present in the solid matrix. Moreover, thermogravimetric analysis (TGA) showed that the hemp shives and the binder, whether aged or not, show the same behaviour at high temperature.On the numerical side, a model of the coupled heat, air and moisture transfers was developed and validated by comparing the simulation results obtained with those from experiments realized in laboratory. The key advantage of this model is that the determination of all its input parameters was made possible thanks to the test benches available in the laboratory. The aged and non-aged properties obtained during the characterization phase were used to implement the model and to study the impact of aging on the hygrothermal behaviour of various configurations of hemp concrete. The results revealed significant discrepancies between the relative humidity values of approximately 18%. Moreover, the prediction of the deformation of these bio-based materials resulting from hygrothermal solicitations has been carried out by considering, in the modelling, the mechanical effects. The validation of the obtained model was carried out using a microscopic approach based on X-ray micro-tomography observation combined with the use of image processing techniques (2D). Finally, the consideration of the hysteresis phenomenon was also examined. This has not only improved the quality of the prediction of numerical models of the hygrothermal behaviour, but also highlighted, at different scales (material, wall and building), the effects of this phenomenon on the hygrothermal and energetic performances of bio-based materials.
Ce travail a pour objectif l’étude des transferts de chaleur, d’air et d’humidité au sein des matériaux biosourcés. La prise en compte de l’incidence des phénomènes de vieillissement, du gonflement et de l’hystérésis dans la modélisation numérique et expérimentale de ces mécanismes au sein des éco-matériaux d’enveloppe du bâtiment tels que le béton de chanvre et le béton de lin a été entreprise. Sur le volet expérimental, une campagne de caractérisation fine a été effectuée au laboratoire. Le but de cette dernière est d’étudier, d’une part, les performances de ces matériaux à l’état sain pour pouvoir ensuite analyser leur réponse face à des sollicitations climatiques extrêmes, par l’application des protocoles de vieillissement accéléré (immersion/séchage, immersion/gel/séchage et humidification / séchage). Et d’autre part, de mettre en évidence l’impact de ces derniers sur l’évolution des propriétés des matériaux et sur le comportement hygrothermique et mécanique des bâtiments. L’analyse des résultats a montré que les propriétés thermo-hydro-mécaniques du béton de chanvre dépendent de sa microstructure et principalement de la cohésion de l'interface liant/chènevotte. Aussi, les observations par microscopie numérique et par la microscopie électronique à balayage ont mis en exergue l’apparition de fissures au niveau des interfaces et une augmentation maximale de 6% de la porosité totale. Ces changements de la microstructure ont engendré : (i) Une réduction des valeurs : du facteur de la résistance à la diffusion d’humidité, du tampon hydrique (MBV) et celle de la résistance à la compression (-51%) ;(ii) Une augmentation de la perméabilité à la vapeur d'eau (+38%) et de la profondeur de pénétration. L'analyse chimique effectuée sur les solutions d'immersion a confirmé la présence du Calcium, du Potassium et du Magnésium. Ces derniers résultent de la dissolution et de la lixiviation de certains hydrates initialement présents dans la matrice solide. Par ailleurs, l'analyse thermogravimétrique (ATG) a montré que la chènevotte et le liant, qu'ils soient vieillis ou non, présentent le même comportement à haute température.Sur le volet numérique, un modèle de transferts couplés de chaleur, d’air et d’humidité a été développé puis validé en comparant les résultats des simulations obtenues avec ceux issus des expérimentations réalisées au laboratoire. L’avantage de ce modèle réside dans le fait que tous ses paramètres d’entrées ont été considérés variables en fonction de la température et de l’état hydrique du matériau. Leur détermination a été rendue possible grâce aux bancs d’essais disponibles au laboratoire. Les propriétés vieillies et non vieillies obtenues lors de la phase de caractérisation ont été utilisées pour implémenter le modèle et étudier ainsi l’incidence du vieillissement sur le comportement hygrothermique de diverses configurations du béton de chanvre. Les résultats ont révélé des écarts sensibles entre les valeurs des humidités relatives d’environ 18%. De même, la prédiction des déformations de ces matériaux biosourcés issues des sollicitations hygrothermiques a été effectuée suite à la prise en compte, dans la modélisation, des effets mécaniques. La validation du modèle ainsi obtenu a été effectuée moyennant le recours à une approche microscopique basée sur l’observation par micro-tomographie aux rayons X conjuguée à l’utilisation des techniques de traitement d’image (2D). Enfin, la prise en compte du phénomène d’hystérésis d’adsorption et de désorption a été également entreprise à différentes échelles : matériau-paroi-bâtiment. Cela a permis non seulement d’améliorer la qualité de la prédiction des modèles numériques du comportement hygrothermique de ces matériaux, mais aussi de mettre en évidence les effets de ce phénomène sur les performances énergétiques et environnementales des bâtiments.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03516072 , version 1 (07-01-2022)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03516072 , version 1

Citer

Ferhat Benmahiddine. Études des transferts couplés de chaleur, d’air et d’humidité par des techniques de changement d’échelle (microscopique-macroscopique) : Application à l’évaluation de la performance énergétique et la durabilité des matériaux de construction. Architecture, aménagement de l'espace. Université de La Rochelle; Université Abderrahmane Mira - Bejaïa (Bejaïa, Algérie), 2020. Français. ⟨NNT : 2020LAROS029⟩. ⟨tel-03516072⟩
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