Matériaux innovants du génie civil
Matériaux innovants du génie civil
Ces travaux visent à l’amélioration des propriétés des matériaux de construction dans le domaine du Génie Civil tout en réduisant leur impact écologique. Trois thèmes principaux sont étudiés.
Le premier thème concerne l’élaboration de matériau de construction à partir de la valorisation de sous-produits industriels. Deux projets sont en cours de développement. Le premier porte sur l’utilisation de mâchefers d’incinération des ordures ménagères comme granulats de mortier, le second projet vise à valoriser les déchets liés à la déconstruction de bâtiment pour confectionner de nouveaux bétons ou des blocs préfabriqués à maçonner.
Le deuxième thème traite de l’utilisation de matière végétale comme composants de matériaux de construction, soit sous forme de blocs préfabriqués, soit directement mis en œuvre par coulage ou projection comme matériau de remplissage d'une structure porteuse.
Enfin, le troisième thème porte sur les performances dans l’ouvrage des matériaux de construction, notamment les performances thermiques en lien avec les échanges hygrothermiques au sein de ces matériaux.
Valorisation de sous-produits industriels
Les travaux menés au laboratoire sur la valorisation des sous-produits industriels se sont poursuivis, notamment en s’orientant vers les Mâchefers d’Incinération des Ordures Ménagères (MIOM). Il existe de nombreuses usines d’incinération. Les mâchefers constituent le principal résidu solide de l’incinération ; ils représentent en Ile de France près d’un million de tonnes de déchets. Leurs caractéristiques dépendent du type de four utilisé ainsi que des procédés d’incinération et de refroidissement en sortie de four. Ces matériaux sont utilisés en terrassement (remblais et couches de forme) sous certaines conditions d’emploi. L’étude menée au laboratoire vise à transformer physiquement et chimiquement les MIOM afin de les incorporer dans une matrice cimentaire pour la constitution de bétons légers. Le processus mis en œuvre permet d’une part de limiter les variations dimensionnelles en cours de séchage et d’autre part, de rendre le béton ainsi constitué compatible avec les normes suisses de stockage des déchets (Norme OSIT). Ce travail en cours est mené avec un partenaire industriel suisse SCRASA SA. Un brevet d’invention industrielle est en cours de dépôt.
Une autre action soutenue par le CNOUS a débuté en 2006 en partenariat avec l’Université de Gaza (Palestine). La bande de Gaza connaît une pénurie importante en matériau de construction qui conduit à un accroissement très marqué des prix. Dans le même temps, une quantité importante de déchets issus de la destruction de constructions pose un problème de gestion sanitaire et spatiale car ces gravats sont laissés à l’abandon. Ils sont constitués d’un mélange de blocs (plus au moins concassés), mélanges de béton, de plâtre, de morceaux d’acier, de bois et de débris de verre. Ils constituent une matière première qu’il convient de valoriser. La valorisation consistera à établir des formulations type de matériaux de construction performants d'un point de vue thermique, acoustique, mécanique qui pourront être utilisés dans le domaine du bâtiment.
Matériaux à base de particules végétales pour le bâtiment
Les travaux initiés sur les bétons à base de particules végétales se sont poursuivis. Ils offrent une double opportunité:
- l’étude d’un matériau composite dont les granulats végétaux présentent des propriétés inusuelles de compressibilité et de sensibilité à l’eau. On observe donc des comportements très différents de ceux des matériaux classiques du Génie Civil ;
- ensuite, celle d’une caractérisation globale combinant l’étude des propriétés mécaniques, mais aussi thermiques et acoustiques de ces matériaux.
De plus, une Analyse du Cycle de Vie (ACV) a permis d’établir que chaque mètre carré de béton de chanvre mis en œuvre conduit à stocker 35kg de CO2, ce qui est particulièrement intéressant puisque, parmi les autres matériaux enveloppe, le plus performant conduit à relâcher 30kg de CO2 par mètre carré mis en œuvre.
Les travaux menés dans le cadre de la thèse de doctorat de V. Cerezo (05) ont montré le potentiel important de ce type de matériau, notamment pour le confort d’été et d’hiver, mais également ses limites, essentiellement mécaniques (1MPa à 6 mois pour une formulation à faible conductivité thermique). Des règles professionnelles de la Construction en Chanvre ont été élaborées dans le cadre d'un groupe national d'experts. Elles sont maintenant publiées. Elles autorisent l’assurabilité du matériau et ont conduit ainsi à une plus large diffusion du matériau dans la profession.
Depuis, deux axes de travail ont été initiés, ils sont en cours de développement.
Préfabrication de blocs en béton de chanvre
L’un des freins identifiés au développement du béton de chanvre est la maîtrise et le niveau des performances mécaniques atteintes du matériau. Des phases de prise et durcissement relativement lentes et dépendantes des conditions atmosphériques l’expliquent.
Une des solutions envisagées repose sur la préfabrication de blocs à maçonner. Cette technique de mise en œuvre permet d’une part de garantir la qualité du produit fini et d’autre part, de s’affranchir des délais de prise.
Dans le cadre d’un contrat européen Eurêka (MENESR) regroupant Balthazard et Cotte Bâtiment Lhoist, La Chanvrière de l’Aube, Desmeules SA et le DGCB-LGM (2005-08), plusieurs axes de travail ont été conduits.
Le premier a consisté à développer de nouveaux liants permettant une montée en résistance plus rapide et des performances finales plus élevées. Plusieurs matériaux ont été testés notamment à base de chaux d’hémihydrate, d’anhydrite et de ciment naturel. L’étude a montré qu’en présence des particules de chanvre, les cinétiques de prise sont fortement ralenties ; la dissolution lors du mélange de cellulose et hémicellulose peut expliquer ces phénomènes. De plus la porosité de ces granulats végétaux conduit à un comportement mécanique de type élastoplastique avec un palier de ductilité très important. Les résistances mécaniques restent modestes. Enfin, un séchage très lent est observé, il semble incompatible avec une procédure de palettisation classique en cycle industriel de préfabrication (Master de Claire Guiziou, 07).
De nouveaux liants sont actuellement à l’étude, ils sont issus de matériaux cuits à faibles températures (250 à 300°C) et leur performance à court terme est très élevée (25MPa à 24h).
Une seconde possibilité a été testée : elle consiste à autoclaver les blocs. Même si ce processus est extrêmement consommateur d’énergie, il permet d’accélérer les réactions de prise et de durcissement. Pour différents types de liant, les paramètres essentiels du processus d’autoclavage (température de vapeur et durée) qui préservent les particules tout en assurant la prise du liant ont été déterminés. Les blocs fabriqués de cette manière permettent d’atteindre des performances similaires à celles d’autres matériaux de construction traités thermiquement.
Les développements actuels portent sur les caractéristiques physiques de la chènevotte. Un projet ANR-PREBAT, élaboré en partenariat avec l’INRA de Reims, le groupe Lhoist (B), Construire en Chanvre et Développement Chanvre, vient d'être sélectionné par l'ADEME (2008-11- Projet C2E2 Construction Chanvre et Economies d'Energie). Il vise à mieux comprendre les échanges et les propriétés à l’interface entre les particules végétales et le liant. En effet, lors du mélange des particules dans l’eau, une partie de la cellulose et de l’hemicellulose qu’elles contiennent est dissoute, ce qui modifie à la fois la structure de la particule végétale et la composition du milieu aqueux avec le liant. Le CNRS-DGCB assure la coordination globale de ce projet.
Les matériaux de construction du génie civil sont des matériaux poreux. En fonction des conditions ambiantes de température et d’humidité relative, des transferts de chaleur et de masse entre le matériau et l’air ambiant se produisent. Ces échanges entraînent des modifications significatives des propriétés physiques de ces matériaux. Ces transformations ont une influence sur les performances acoustiques et thermiques des matériaux mais également sur leur durabilité et sur la qualité de l’air à l’intérieur d'une habitation.
L’objectif du travail de thèse de Driss Samri (2004-2007) est d’analyser, caractériser puis modéliser le fonctionnement et les performances du matériau enveloppe comme fonction des conditions environnantes.
Les phénomènes physiques qui entrent en jeu sont relativement complexes car plusieurs mécanismes interagissent et sont en compétition. Ainsi, soumis à un gradient de température et/ou d’humidité relative, un élément de mur échange avec l’air environnant de la vapeur d’eau. Celle-ci peut diffuser sous forme vapeur à l’intérieur du mur ou, en fonction des conditions, et de manière réversible, condenser dans le matériau puis être transférée par capillarité sous forme liquide. Tous ces phénomènes conditionnent alors les propriétés thermiques du matériau.
Nos travaux de recherche portent sur trois matériaux du génie civil dont la nature et la microstructure poreuse sont très différentes :
• le béton cellulaire autoclavé (AAC) est caractérisé par la présence d’une multitude de cellules sphériques isolées au sein de la matrice solide (macroporosité) de diamètre environ 1mm et par une porosité totale d’environ 80% en volume ;
• le béton de chanvre (HLC) est obtenu en mélangeant un liant à base de chaux, de particules végétales et d'eau ; ce matériau combine à la fois la microporosité du liant à base de chaux, celle des particules végétales et enfin, la macroporosité (ouverte) due à l’arrangement imparfait des particules au sein de la matrice ; là encore, la porosité totale atteint 80% en volume environ ;
• et enfin, le dernier matériau est la brique de terre cuite à perforations verticales (VPB) issue du processus de cuisson d’un mélange d’argile, elle se compose d’une géométrie à alvéoles et d’un tesson allégé. La porosité totale, qui prend en compte les lames d’air plus la microporosité du tesson avoisine les 65%.
Notre recherche s’est construite autour de deux démarches principales.
La première est une approche expérimentale avec la mise au point d’une cellule d’échange. Elle comprend notamment la construction de murs d’une surface d’environ 1 m2 pour deux épaisseurs différentes (15 cm et 30 cm) et pour lesquels nous analysons les transferts couplés de chaleur et d’humidité relative qui s’y produisent. L’échantillon fait la séparation entre deux milieux, l’un (enceinte climatique) où les conditions de température et d’humidité relative sont continûment régulées (régime permanent ou cyclique en T et HR) et l’autre qui est laissé libre dans l’ambiance du laboratoire.
Le suivi des variables en différents points dans l'épaisseur de l’échantillon est assuré par des sondes de température et humidité relative.
La seconde est la modélisation numérique, en cours de développement sur COMSOL Multiphysics. Un modèle de conduction thermique pur et un modèle de transferts couplés de chaleur et de masse ont été implémentés afin de confronter les résultats expérimentaux et les simulations.
Ils ont permis de mieux comprendre et évaluer les performances thermique et hydrique des matériaux lorsqu’ils sont soumis à des environnements d’hygrométries variables. Leur aptitude à amortir les fluctuations en température et humidité relative a été définie et comparée. Il est remarquable de souligner que, pour des porosités proches, le béton cellulaire et le béton de chanvre présentent des fonctionnements hygrothermiques différents qui ont été mesurés. La sensibilité du matériau vis-à-vis des conditions aux limites et l’effet couplé des gradients de température et d’humidité relative s’avèrent déterminants pour analyser le comportement hygrothermique du béton de chanvre.
Le travail a été complété dans le cadre du Master Recherche de Sarah Goyer par des mesures sur les propriétés microstructurales et de transferts des bétons légers (porosimétrie, imbibition, ...) en collaboration avec le LCPC Paris.
Comportement du polystyrène expansé
L’utilisation du polystyrène expansé comme remblais léger commence à se répandre. Son faible poids volumique, entre 15 et 25 kg/m3, permet d’augmenter sensiblement la stabilité des talus. Plus récemment, son utilisation a été étendue au cas de remblaiement derrière les culés de pont. On tire profit de sa forte compressibilité afin de réduire les effets de dilatation thermique du tablier. Cependant, le manque de connaissance sur le comportement de ce matériau constitue un frein pour une utilisation plus répandue.
Le comportement de ce matériau a été étudié expérimentalement à l’Université de Western Sydney à l’aide d’essais triaxiaux et de compression simple. Une collaboration avec ce dernier a été initiée pour développer une loi de comportement élastoplastique écrouissable suffisamment simple et robuste en vue d’applications pratiques. Ce modèle permet de simuler correctement les résultats expérimentaux à vitesse de chargement rapide (Wong & Leo, 2006).
Cependant, sa validation expérimentale par les essais triaxiaux est imparfaite. Car en raison de la symétrie radiale, cet essai ne peut imposer que des trajets de contrainte dont l’angle de Lode est soit 0° soit 180°. Il ne permet donc d'étudier que la taille de la surface de charge suivant ces deux directions. Afin de mieux préciser la forme de la surface de charge, une campagne d’essais a été spécialement conçue et menée en collaboration avec la Polytechnic University de Hong Kong, à l’aide d’un appareil de «vrai triaxial", capable d’appliquer 3 contraintes principales distinctes. Les trajets de contraintes radiaux à différentes directions mais à contrainte moyenne constante ont ainsi été appliqués à des échantillons rectangulaires dans le but d’étudier la forme de la surface de charge sur le plan déviatoire. L’effet de la contrainte moyenne a également été étudié. Ces travaux sont résumés dans un article à paraître prochainement dans une revue internationale.
