1.3 Caractéristiques du béton de chanvre
1.3.2 Caractéristiques physiques
a. Milieux poreux : masse volumique et porosité Le béton de chanvre est un milieu poreux hétérogène à trois phases. - Phase solide : Matrice solide,
- Phase liquide : Eau occupant une partie de l’espace poreux,
- Phase gazeuse : Air et vapeur d’eau occupant l’autre partie de l’espace poreux.
Plafond Enveloppe Enduit
Chanvribat 73% 55% 43%
Tradical PF70 10% 23% 36%
Eléments Bibliographiques / Caractéristiques du béton de chanvre
- La matrice solide : distribution du diamètre des grains, composition minéralogique et chimique, la masse volumique des grains. Cette matrice est considérée homogène, isotrope, indéformable et inerte chimiquement,
- La porosité totale, la porosité ouverte et la porosité fermée,
- Le réseau poreux : distribution du diamètre des pores, la surface spécifique, géométrie du réseau poreux.
- Les réseaux poreux sont constitués de (Figure 1.11) :
- Pores interconnectés ou connectés : espace continu dans le réseau qui favorise le transport de matière au sein du matériau,
- Pores isolés ou occlus : non accessible,
- Pores aveugles, bras morts ou piégés : Espace accessible mais ne participant pas au transport de matière.
En outre, ces pores peuvent être de formes cylindriques, d’entonnoir, de « bouteille d’encre » (col étroit et corps large) ou de microfissures.
La porosité interconnectée contribue au transfert de masse au sein du milieu poreux. La porosité ouverte, constituée des pores interconnectés et des pores aveugles, est accessible et contribue ainsi au stockage au sein du milieu. Enfin, la porosité fermée ne contribue ni au transfert ni au stockage de l’humidité. Cette porosité influera sur la masse volumique apparente ainsi que sur le comportement thermique et mécanique du milieu.
Figure 1.11 Types de porosité présente dans le matériau a) Connecté – b) Isolés, occlus – c) Aveugle, bras mort, Piégé Les pores sont classés par tailles [IUP, 94] :
- Supérieur à 50 nm : Macropores,
- Compris entre 2 et 50 nm : Mésopores, - Inférieur à 2nm : Micropores.
Les différentes terminologies utilisées sont définies à partir de la Figure 1.11 et du diagramme de phases (Figure 1.12).
GAZ (air + vapeur d’eau)
LIQUIDE SOLIDE mg ml ms m Vg Vl Vs Vp V rg rl rs
Figure 1.12 Les différentes phases d'un milieu poreux non saturé
Notation Grandeur Unité
V Volume apparent [m3]
Vs Volume solide [m3]
Vl Volume liquide [m3]
Vg Volume gazeux [m3]
Vp Volume des pores [m3]
m Masse totale [kg]
ms Masse solide [kg]
ml Masse liquide [kg]
mg Masse de gaz (négligeable) [kg]
msat Masse du matériau saturé [kg]
Tableau 1.11 Définition des volumes et des masses d’un milieu poreux
Notation Grandeur Relation Unité
m Masse totale ݉ ൌ ݉௦ ݉ ݉ [kg]
V Volume apparent ܸ ൌ ܸ௦ ܸ ܸ [m3]
Vp Volume des pores ܸൌ ܸ ܸ [m3]
r Masse apparente volumique ɏ ൌܸ݉ [kg.m-3]
rs Masse volumique absolue ߩ௦ൌܸ݉௦ [kg.m-3] n Porosité totale ൌܸ ܸ ൌ ܸ ൌ௦ ߩ௦ߩ ߩ ௦ [%] n0 Porosité ouverte ݊ൌ ݊ െ ݊± [%] w Teneur en eau ݓ ൌ݉ െ ݉݉ ௦ ௦ [%] wsat Teneur en eau de saturation ݓ௦௧ൌ݉௦௧݉െ ݉௦ ௦ [%]
Tableau 1.12 Grandeurs physiques associées à un milieu poreux
Eléments Bibliographiques / Caractéristiques du béton de chanvre
Les bétons de chanvre sont des matériaux très poreux. Pour les formulations murs , les porosités totales sont de 72 à 80 % [COL, 04],[SAM, 08]. Cette porosité, majoritairement ouverte, est constituée de macropores correspondant à la porosité interparticulaire, de mésopores (au sein de la matrice liant) et de micropores présents au sein des particules végétales et de la matrice liant également ( Figure 1.14).
Figure 1.13 Porosité d’un béton de chanvre : a) macroporosité interparticulaire – b) porosité au sein du liant [CER, 05] – c) porosité au sein des chènevottes [CHA, 11]
Figure 1.14 Distribution porale d’un béton de chanvre [COL, 08] b. Volume élémentaire représentatif
Les études de caractérisation des propriétés hydriques du béton de chanvre doivent être réalisées sur des échantillons considérés macroscopiquement homogène. Pour cela, le volume de l’échantillon doit être au moins égal au Volume Elémentaire Représentatif (VER).
Jacob Bear [BEA, 72] définit le VER ΔV0 en utilisant une méthode basée sur la mesure de la porosité du matériau (Figure 1.15)
Il existe un volume minimum ΔV0 en dessous duquel la mesure de la porosité tend vers 0 ou 1 car le volume considéré est proche de celui des pores.
Au-dessus d’un certain volume ΔV1, lorsque le matériau présente des hétérogénéités macroscopiques, la porosité peut évoluer progressiv ement.
Entre ces deux valeurs, le volume peut être considéré comme h omogène et on peut en mesurer les propriétés physiques [BIH, 07][COL, 04].
1 mm
a) b)
Figure 1.15 Volume élémentaire représentatif [BEA, 72]
Collet [COL, 04] a déterminé le Volume Elémentaire Représentatif du béton de chanvre à partir de la mesure de masse volumique apparente sur des échantillons de plus en plus petits (20, 10, 5 et 2,5 cm d’arrête). Six échantillons sont testés pour le volume de 20 cm d’arrête, huit échantillons sont testés pour les autres volumes. Deu x formulations de béton de chanvre A et B sont considérées. De ux critères doivent être satisfaits pour que le volume testé soit considéré comme représentatif :
- La variation de la masse volumique apparente moyenne ne doit pas excéder 5% par rapport à celle des échantillons de 20 cm de côté.
- Le coefficient de variation des échantillons d’une série testée ne doit pas dépasser 10%.
Le Tableau 1.13 présente les résultats obtenus. Les échantillons de 10 et 5 cm d’arrête respectent les critères et sont donc représentatifs du matériau. Les échantillons de 2,5 cm d’arrête présentent une masse volumique apparente moyenne correcte mais un coefficient de variation très élevé. Les échantillons de 2,5 cm d’arête ne s ont donc plus représentatifs du béton de chanvre. Ceci s’explique en particulier par les dimensions des chènevottes et de la porosité interparticulaire.
Tableau 1.13 Masses volumiques apparente, coefficients de variation et variations par rapport à un échantillon
Arrête [cm] 20 10 5 2,5
rmoy [kg.m-3] 398 414 408 382
Coef. Variation [%] 5,8 1,9 6,6 8,6
Variation par rapport au
cube de 20 cm d’arrête[%] - 4,02 2,5 4,02
rmoy [kg.m-3] 426 422 438 424
Coef. Variation [%] 3,3 6,9 5,7 25
Variation par rapport au
cube de 20 cm d’arrête [%] - 0,9 2,8 0,5
A
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c. Capacité d’absorption d’eau
En présence de particules végétales poreuses, il convient de s’intéresser également à leur capacité d’absorption d’eau. Celle-ci est liée notamment à la taille des capillaires. Cerezo [CER, 05] et Couedel [COU, 98] montrent des capacités d’absorption de l’ordre de 250%.
Figure 1.16 Capacité d’absorption de chènevottes
La cinétique d’absorption peut se décomposer en deux étapes. Dès les premières secondes d’immersion, une quantité d’eau importante est captée par la chènevotte. Ce phénomène rapide est certainement à associer au remplissage des pores les plus gros. Puis une cinétique plus lente prend place. Le remplissage des capillaires les plus fins et d’imbibition des membranes cellulosiques de la chènevotte correspond à cette phase. Un gonflement sensible de la chènevotte est également associé à l’absorption.