L’objectif principal de ce travail est de caractériser un agro-matériau à base du béton et de liège. Cette caractérisation a touché les propriétés mécaniques (la densité, la résistance à la compression et la résistance à la flexion), les propriétés hydrique (l’absorption partielle de l’eau liquide, la valeur tampon-hydrique et la perméabilité à la vapeur d’eau) et enfin les propriétés thermiques (conductivité thermique et la chaleur spécifique).
Les travaux antérieure concernant les composites utilisant le liège comme un composant, ont démontré que le liège est mutuellement compatible avec le ciment ou le plâtre. D’après les résultats de ces travaux, les composites obtenus en utilisant le liège comme un constituant sont des bons matériaux isolants quand la quantité de liège est dominante, par contre les propriétés mécaniques chutent.
Les propriétés mécaniques et hygrothermiques du composite de liège naturel avec du sable concassé et du ciment sont mesurées. Quatre compositions sont préparées par rapport au volume des granulés de liège, noté L00, L25, L50 et L75. Les résultats montrent que l'échantillon devient plus léger en augmentant la teneur en liège, et que sa résistance mécanique et sa conductivité thermique diminuent. Pour une teneur élevée en volume de liège de 75% (par rapport au sable), le matériau est adapté pour être utilisé comme mur non porteur dans une structure de charpente, il a été démontré qu'il peut être considéré comme un bon isolant thermique, et peut être classé comme un bon régulateur pour les variations d'humidité relative intérieure. Pour une teneur en volume de liège inférieure, le matériau est classé en tant que béton structural et isolant. Sa résistance à la compression augmente, ainsi que sa masse volumique, et sa conductivité thermique.
Le calcul théorique de la conductivité thermique de notre composite, a montré que les résultats ne concordaient avec ceux de l'expérience que pour le modèle de Wyllie et Southwick pour toutes les compositions. Les autres modèles sous ou surévaluent les valeurs expérimentales avec différents pourcentages. Une petite influence de l’humidité relative ambiante sur la conductivité thermique est observée.
L’évaluation des performances hygrothermiques du notre matériau, au niveau d’un local d’habitation via l'environnement SPARK, a été faite. Les résultats montrent que le béton de liège conduit à de meilleures économies d'énergie dans les saisons froides et chaudes. La consommation d'énergie augmente légèrement en hiver, en raison du phénomène de désorption, et réduit l'énergie de refroidissement d'été. En outre, l'effet de l'augmentation du taux de ventilation de l'air, de l'épaisseur du revêtement intérieur, et de l'utilisation de gypse comme remplaçant de la couche de l’enduit en ciment ont été étudiés. Les résultats suggèrent que pour un climat humide, l'utilisation d'un enduit à grande valeur de tampon-hydrique est recommandée, ainsi qu'une augmentation du taux de ventilation estivale pour diminuer la fréquence élevée d'humidité relative intérieure, alors que pour un climat sec, un revêtement avec de gypse pourrait être intéressant, car elle diminue les consommations d'énergie.
En effectuant ce travail, plusieurs perspectives à envisager dans le futur, nous citons quelques-unes :
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Améliorer notre composite concernant la résistance à la compression, surtout pour la
composition L75, en rajoutant une quantité du liant (ciment) ;
Améliorer notre composite en rajoutant d’autres composant par exemple les grignons
d’olives ou la sciure de bois, car ils présentent de bonnes qualités (mécanique et thermique), également on les considère comme des déchets ;
La courbe de désorption est l’une des essais qu’il faut la trouver expérimentalement ;
Concernant la simulation numérique, et l’étude du comportement hygrothermique de
notre composite, il faut introduire dans le modèle la pluie battante, pour voir son influence sur la consommation d’énergie.
143
Annexes 1
A.1. Principe de fonctionnement du fluxmètre NETZSCH
A.1.1.Définition
L’appareil utilisé pour la mesure de la conductivité thermique de nos échantillons est installé au laboratoire de génie civil de l’université de Reims en France. C’est un produit de la société NETZSCH. La figure A.1 représente une photo prise de cet appareil de mesure, tandis que la figure A.2 schématise le principe de fonctionnement.
Figure A.1. Appareil de mesure de la conductivité thermique (HFM 436 Lambda).
Figure 6.Schéma de principe de l’appareil (HFM 436 Lambda).
Le système est idéalement conçu pour réaliser des mesures sur les matériaux isolants de
conductivité thermique variant entre 0,005 et 0,5 W.m-1.K-1. Cet intervalle correspond
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sont de 30 cm×30 cm, afin de limiter les effets de bord, avec une épaisseur variable allant de quelques millimètres à 10 cm.
A.1.2. Principe d'opération
Le principe de mesure repose sur la méthode flux-métrique est identique à celui de la plaque chaude gardée, mais dans cette méthode on peut mettre uniquement un seul échantillon. Ce dernier est placé entre une plaque chaude et une plaque froide, chacune maintenue à une température constante. La plage de température est entre -20 et 90, contrôlée à l’aide d’un système Peltier. La régulation de la température des plaques est assurée par un bain externe constitué d’un mélange d’eau et d’antigel.
Après l’établissement du régime permanent, la mesure du flux traversant les faces de l’échantillon à l’aide d’un fluxmètre permet de remonter à la conductivité thermique en appliquant la formule de Fourier.
TC Tf
e S (A.1) Où la conductivité de l’échantillon (W/m°C)TC la température de la face chaude de l’échantillon (°C)
Tf la température de la face froide de l’échantillon (°C)
le flux de chaleur traversant l’échantillon (W)
e l’épaisseur de l’échantillon (m)
A.1.3. Détermination de l’épaisseur de l’échantillon
Un capteur de distance est placé entre les plaques permet de mesurer l’épaisseur de l’échantillon. Cependant, on peut le mesurer manuellement de façon conventionnelle. Vue la pression exercée sur le matériau et compte tenu du caractère compressible de certains échantillons (mousses et certaines variétés de fibre de bois), ces deux valeurs peuvent être légèrement différentes. Pour cette raison il est plutôt recommandé d’utiliser la valeur de jauge calculée par le système et régulièrement mise à jour pendant toute la durée du test.
A.1.4. Calcul du flux de chaleur
Un capteur de flux thermique est fixé sur la zone de mesure de chaque plaque. Il s’agit d’un transducteur qui produit un signal (en microVolts (μV)) proportionnel à l’intensité du flux de chaleur traversant l’échantillon :
V N S. .
(A.2)
Où N représente le facteur de calibration reliant le signal du capteur de flux thermique au flux de chaleur traversant l’échantillon, et S la section de l’échantillon correspond à la surface de la zone de mesure de la plaque qui fait 10.16 cm×10.16 cm.
À partir des équations (A.1) et (A.2), une estimation de la conductivité thermique de l’échantillon est déduite :
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TC Tf
e V N . (A.3)A.1.5. Caractéristiques du logiciel
L’appareil Lambda HFM 436 fonctionne sur le progiciel interne Q-Test sur un microprocesseur intégré. Les tests peuvent être configurés et exécutés entièrement à partir du clavier avant, et une copie papier des résultats sera produite par l'imprimante intégrée. Le logiciel Q-Lab externe fonctionne sous le système d'exploitation Windows® et permet une flexibilité accrue dans la programmation, la surveillance des instruments et la gestion et le stockage des données. La saisie des paliers de température, l'acquisition et l'analyse des données sont, bien sûr, des fonctionnalités standard du logiciel.
A.2. Procédure d’étalonnage
Avant d’effectuer la mesure de la conductivité thermique, il est nécessaire de réaliser un étalonnage du système de mesure. Le but de cet étalonnage est de déterminer les valeurs du facteur N en fonction de la température pour ΔT fixée ou ajustable. L’échantillon de calibration fourni avec le système est un isolant en fibre de verre d’épaisseur e=2,515 cm. C’est un matériau qui a été certifié par l’institut national américain des standards et de la technologie (NIST) comme matériau de conductivité thermique de référence. Il est désigné par la référence SRM
1450c et possède une densité de ρ=164,31 kg/m3. Pour chaque température, la conductivité
thermique a été calculée en utilisant une expression polynômiale de la forme :
T a a a0 1. 2. (A.4)
Où les coefficients ai sont donnés dans le certificat SRM du NIST publié en Mars 1997.
Pour obtenir une meilleure précision de mesure (≤5%), l’échantillon de calibration doit avoir une résistance thermique (e/λ) comprise entre 50% et 200% de celle de l’échantillon à caractériser.
Afin d’empêcher une reprise d’humidité avec le milieu environnant, l’échantillon "étalon" est entièrement recouvert d’un film mince en plastique. Ce film ne doit en aucun cas être retiré ou détérioré par l’utilisateur.
Les valeurs du facteur N issues du test de calibration sont résumées dans le tableau A.1 pour l’intervalle de température allant de -15 °C à 55 °C avec un pas régulier de 10 °C.
L’erreur relative sur la répétabilité de l’ensemble de ces mesures est inférieure à 0,5%. La précision indiquée par le constructeur de l’appareil est de ± 1 à 3%.
Tableau A.1.Valeurs du facteur de calibration entre -15 °C et 55 °C.
T (°C) -15 -5 5 15 25 35 45 55
N 0.00497 0.00508 0.00516 0.00526 0.00531 0.00540 0.00545 0.00551
A.3. Paramètres d’entrée des essais
Les principaux paramètres à fixer avant d’effectuer des essais de mesures sur les échantillons sont :
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• La température moyenne de mesure T : elle correspond à la température moyenne entre
les deux plaques. Les plaques sont donc régulées afin de respecter cette consigne de température. La conductivité mesurée du matériau sera donc obtenue à cette température moyenne.
• La différence de température ΔT : elle représente la différence de température entre la
plaque chaude et la plaque froide.
• L’épaisseur de l’échantillon (e : l’utilisateur a la possibilité d’indiquer manuellement
cette valeur ou encore laisser le choix au système d’utiliser directement la valeur déterminée par les jauges. La dernière solution est généralement recommandée compte tenu de la mise à jour qui y est régulièrement effectuée pendant toute la durée de l’essai.
• Les paramètres d’équilibre : il s’agit des paramètres utilisés pour l’évaluation du critère
d’arrêt du processus d’estimation. Il faut donc spécifier le pas de temps (en minutes) pour la mise à jour et l’enregistrement automatique des données. Ensuite, le nombre de points de mesures de conductivité thermique pendant chaque intervalle de temps (en points), ce qui correspond à Np valeurs de conductivité pendant pas de temps. Une valeur de conductivité thermique moyenne est déduite après chaque pas de temps.
• Les paramètres d’étalonnage N : il suffit d’indiquer le fichier donnant les valeurs du
facteur N à utiliser pendant l’essai. Ces valeurs de N doivent couvrir tout l’intervalle de température souhaitée afin de permettre d’éventuelles opérations d’interpolation. L'instrument est étalonné avec un étalon de référence certifié NIST de conductivité thermique connue. D'autres matériaux standards à sélectionner par l'opérateur peuvent également être utilisés pour la calibration. Cela établit la corrélation précise entre la sortie du signal des transducteurs et le flux de chaleur réel. La conductivité thermique est calculée une fois que les critères d'équilibre définis par l'utilisateur sont rencontrés. Bien sûr, l'opérateur est invité à utiliser tout autre matériau standard pour calibrer l'unité.
Annexes 2
Tableau A.2.1. la conductivité effective à l’état sec du béton de liège calculée par différents modèles.
Composition Série Parallèle Hashin et
Shtrikman sup Hashin et Shtrikman inf Maxwell Wyllie et Southwick L00 0.082 1.0 0.44 1.01 0.44 1.06 L25 0.081 0.81 0.40 0.77 0.39 0.81 L50 0.080 0.70 0.37 0.66 0.36 0.70 L75 0.077 0.44 0.29 0.42 0.28 0.31
Tableau A.2.2. la conductivité thermique effective calculée par le modèle d’homogénéisation auto-cohérente.
L00 L25 L50 L75
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Tableau A.2.3. la conductivité à l’état humide du béton du liège (composition L75) calculée par différents modèles.
Teneur en eau
Série Parallèle Hashin et
Shtrikman sup Hashin et Shtrikman inf Maxwell Wyllie et Southwick 33% 0.078 0.3513 0.146 0.3119 0.144 0.214 50% 0.079 0.3514 0.148 0.3120 0.145 0.215 75% 0.081 0.3517 0.152 0.3126 0.149 0.216 84% 0.090 0.352 0.164 0.3142 0.161 0.221 94% 0.094 0.353 0.170 0.315 0.166 0.224 97% 0.1 0.354 0.179 0.316 0.174 0.227
Tableau A.2.4. la conductivité effective à l’état humide pour la composition L75( modèle d’homogénéisation auto-cohérente approche 1).
La teneur en eau (%) 0.40 0.66 1.55 1.91 2.52 3.41
Conductivité (W/m.K) 0.3490 0.3493 0.3501 0.3505 0.3508 0.351
Tableau A.2.5. La conductivité effective à l’état humide pour la composition L75( modèle d’homogénéisation auto-cohérente approche 2).
La teneur en eau (%) 0.40 0.66 1.55 1.91 2.52 3.41