Isothermes d’adsorption

La Figure VII-2 présente les isothermes d’adsorption obtenues pour les différentes

formulations. Les points donnent les valeurs moyennes et les écart-types obtenus expérimentalement

sur les teneurs en eau. La modélisation GAB permet de faciliter la lecture des résultats, elle sera

présentée dans la section suivante.

Toutes les courbes obtenues sont des sigmoïdes. Selon la classification IUPAC [Sing, 1985], il

s’agit d’isothermes de type II ou III, caractéristiques des milieux macroporeux.

Sur la plage d’humidité relative considérée, les formulations TC présentent les plus fortes

teneurs en eau. Les formulations à base de fines ont des teneurs en eau similaires, avec des valeurs

légèrement plus élevées dans le cas des fines stabilisées.

D’autre part, la teneur en eau est également influencée par le dosage en chanvre. Plus la

quantité de chanvre est importante, plus la teneur en eau est élevée.

Ainsi, pour les formulations TC, les teneurs en eau atteignent 11.7 % à 15.2% à 90 %HR, et

6.4 % à 8.5 % à 80%HR. Pour les formulations ASC, les teneurs en eau atteignent 7.9 % à 9.5 % à

90 %HR, et 4.6% à 6.4 % à 80%HR. Enfin, pour les formulations AC, les teneurs en eau atteignent

3.9 % à 5.9 % à 80%HR.

Les teneurs en eau obtenues pour les formulations TC sont légèrement supérieures à celles

rencontrées dans la littérature sur des bétons de chanvre. En effet, pour un dosage C/L de 0.5, la teneur

en eau est de 2.5 % pour une humidité relative de 50 % et de 12.5 % à 90% HR. Pour un même dosage

C/L, avec un liant commercial Tradical PF 70

^

et une mise en œuvre par projection, [Collet et al.,

2013] trouvent une teneur en eau d’environ 2.4 % à 50%HR et 8.3% à 90% HR. De Bruijn et

Johansson étudient des composites chanvre-chaux avec un dosage C/L de 0.55 [De Bruijn et

Johansson, 2013]. A 90%HR, les teneurs en eau volumiques obtenues sont de 25 kg/m

3

, conduisant à

une teneur en eau massique de 6.3 %. Evrard étudie également un béton de chanvre réalisé avec du

Tradical PF 70

^

et dosé à C/L=0.5 [Evrard, 2008]. La teneur en eau massique obtenue à 93 %HR est

de 9.3 %.

Les teneurs en eau obtenues pour les formulations AC et ASC sont plus élevées que celles

obtenues par Ashour et al. [Ashour et al., 2015] qui ont étudié des briques de terre incluant une faible

quantité d’orge ou de blé. Ainsi, pour des briques non stabilisées, les teneurs en eau obtenues avec 3 %

de blé dans la composition sont de 3.6 % à 80 % HR et 5.6 % à 90 %HR. Avec 3 % d’orge dans la

composition, les teneurs en eau à 80 et 90 % HR, sont respectivement de 3.6 et 5 %. Lorsque les

briques sont stabilisées avec 10 % de ciment, les teneurs en eau obtenues avec 3 % de blé sont de 3.7

% à 80 % HR et 5 % à 90 %HR (pour l’orge, respectivement 3 et 4 % de teneur en eau). Les

différences de teneur en eau entre les formulations AC, ASC et les briques stabilisées de cette étude

sont attribuées à la différence de charge, beaucoup plus faible dans le cas de l’étude de Ashour et al.

Les teneurs en eau obtenues pour les formulations ASC sont légèrement inférieures à celles

obtenues par Bouguerra et al. [Bouguerra et al., 1999]sur des composites argile-ciment-granulats de

bois. En effet, pour des dosages en bois de 30%, les teneurs en eau sont de l’ordre de 4.2 % à 65 %HR,

6.7 % à 80 % HR et 11 % à 90 % HR. Pour des dosages en bois de 40 %, les teneurs en eau sont

d’environ 4.3 % à 65%HR, 7.8 % à 80 % HR et 12.9 % à 90 % HR. Plus l’humidité relative est élevée,

plus l’écart entre les formulations ASC et les composites argile-ciment-granulats de bois est élevé.

Figure VII-2 : Isothermes d'adsorption des différentes formulations – a) TC, b) AC, c) ASC

(points : teneurs en eau massiques moyennes et écarts-type, lignes : modèle GAB)

(a)

(b)

b) Modélisation des isothermes de sorption (modèle BET et GAB)

Les isothermes de sorption sont modélisées avec le modèle BET sous forme linéarisée (Figure

VII-3) puis avec le modèle BET et le modèle GAB sous forme classique (Figure VII-6, Figure VII-7 et

Figure VII-5), conformément au protocole présenté dans le chapitre II. Le Tableau VII-1 présente les

paramètres des différents modèles.

Pour l’ensemble des formulations, l’application du modèle BET linéarisé conduit à une

évolution linéaire jusqu’à une hygrométrie de 65 % HR, correspondant à une zone d’adsorption

polymoléculaire (Figure VII-3). Au-delà de 65 % HR, la condensation capillaire se développe donc au

sein des matériaux. On observe une très forte corrélation entre le modèle BET linéarisé et les points

expérimentaux (R² très proche de 1). Les Figure VII-6 pour les formulations TC, Figure VII-7 pour les

formulations AC et Figure VII-5 pour les formulations ASC, ainsi que le Tableau VII-1 montrent

également une très forte corrélation entre les points de mesure et les modèles GAB et BET.

Les teneurs en eau monomoléculaires, déterminées avec le modèle BET linéarisé, sont les plus

élevées pour les composites ThermO

^

-chanvre (entre 1.59 et 2.17 %). Les composites à base de fines

présentent les valeurs de w

m

les plus faibles (0.95 à 1.49 %), alors qu’avec les fines stabilisées les

teneurs en eau monomoléculaires sont 10 à 22 % plus élevées.

Pour les trois types de formulation, l’augmentation du rapport C/L conduit à une augmentation

de la teneur en eau monomoléculaire (à l’exception de la formulation TC-0.5). La Figure VII-4 donne

les corrélations linéaires entre la teneur en eau monomoléculaire et le rapport C/L (en écartant le point

correspondant à la formulation TC-0.5). Ainsi, les teneurs en eau monomoléculaires à C/L = 0.75 sont

les plus importantes pour les formulations avec le liant ThermO

^

et les plus faibles pour les

formulations à base de fines. Les surfaces spécifiques sont donc les plus élevées avec le liant

ThermO

^

et la stabilisation conduit à une augmentation de la surface spécifique au sein de la matrice à

base de fines.

L’effet du rapport C/L est le plus marqué pour les formulations à base de fines. Pour les

formulations avec les fines stabilisées, l’augmentation de la teneur en eau monomoléculaire avec le

rapport C/L est réduite de 6.7 %. Les formulations réalisées avec le liant ThermO

^

ont l’évolution

avec le rapport C/L la moins marquée (25 % inférieure à celle des formulations à base de fines).

Les teneurs en eau monomoléculaires obtenues avec le modèle GAB sont du même ordre de

grandeur que celles obtenues avec le modèle BET pour les formulations TC (écart maximal inférieur à

10%). Pour les formulations AC et ASC, les valeurs sont plus élevées avec le modèle GAB, jusqu’à

39 % pour les formulations ASC et 76 % pour les formulations AC.

La constante C1 du modèle BET, en liaison avec la chaleur d’adsorption de la première

couche, est la plus faible pour les formulations TC. Les formulations AC présentent des valeurs de C1

environ deux fois plus élevées, alors que les formulations ASC ont des valeurs 20 % plus faibles que

les formulations AC. L’énergie échangée lors de l’adsorption/désorption de la première couche est

donc plus faible avec les formulations réalisées au liant ThermO

^

.

La constante C3 du modèle GAB est proche de 1, indiquant que les chaleurs de liaison entre

les différentes couches sont proches de la chaleur latente de vaporisation de l’eau.

Figure VII-3 : Isotherme d’adsorption sous la forme BET linéarisé-a) TC, b) AC, c) ASC

Points : Valeurs expérimentales / Ligne : Modélisation BET linéarisé

(a)

(b)

Tableau VII-1 : Paramètres des modèles de GAB et de BET pour les formulations AC, ASC et

TC

Modèle BET GAB

paramètre w

m

C1 R² w

m

C2 C3 R²

TC- 0.4 1.78% 3.401 0.9976 1.64% 7.089 0.958 0.9987

TC- 0.5 1.59% 3.423 0.9997 1.44% 6.427 0.985 0.9995

TC- 0.61 2.05% 3.048 0.9983 2.10% 3.782 0.953 0.9997

TC- 0.75 2.17% 3.123 0.9984 2.16% 4.204 0.958 0.9996

AC- 0.4 0.98% 6.733 0.9984 1.45% 3.036 0.851 1.0000

AC- 0.455 1.02% 7.101 0.9978 1.71% 2.679 0.804 1.0000

AC- 0.5 1.18% 6.562 0.9981 2.07% 2.451 0.790 1.0000

AC- 0.75 1.49% 5.664 0.9991 2.44% 2.450 0.821 1.0000

ASC- 0.4 1.16% 5.115 0.9991 1.16% 7.237 0.953 0.9995

ASC- 0.455 1.24% 5.195 0.9991 1.43% 3.898 0.928 0.9997

ASC- 0.5 1.32% 5.223 0.9987 1.67% 3.664 0.889 0.9998

ASC- 0.75 1.65% 5.187 0.9991 2.28% 3.053 0.866 0.9999

Figure VII-4 : Teneur en eau monomoléculaire déterminée avec le modèle BET linéarisé en

fonction du rapport C/L pour les différentes formulations

(a) (b)

(c) (d)

Figure VII-5 : Isotherme d'adsorption des formulations TC – Teneurs en eau massiques

moyennes et écarts-type - Lissage de la branche d’adsorption avec le modèle GAB et BET - a)

(a) (b)

(c) (d)

Figure VII-6 : Isotherme d'adsorption des formulations AC – Teneurs en eau massiques

moyennes et écarts-type - Lissage de la branche d’adsorption avec le modèle GAB et BET - a)

(a) (b)

(c) (d)

Figure VII-7 : Isotherme d'adsorption des formulations ASC – Teneurs en eau massiques

moyennes et écarts-type - Lissage de la branche d’adsorption avec le modèle GAB et BET - a)

c) Effet de la formulation sur les isothermes de sorption

Afin d’identifier l’effet du rapport chanvre sur liant et le type du liant sur les isothermes de

sorption, la Figure VII-8 présente l’évolution de la teneur en eau massique en fonction du rapport

chanvre sur liant pour les différentes formulations sous différentes hygrométries.

Sur l’ensemble du domaine d’humidités relatives considéré, quel que soit le type de liant, la

teneur en eau augmente linéairement avec le rapport chanvre sur liant. Les régressions linéaires pour

chaque type de liant et pour chaque humidité relative sont données sur la Figure VII-8. Pour les

formulations AC et ASC, les coefficients de corrélation sont élevés quel que soit l’humidité relative

considérée. Pour les formulations TC, les coefficients de corrélations sont plus faibles aux faibles

humidités relatives, du fait de teneurs en eau quasi-constantes en fonction du rapport C/L.

Les corrélations linéaires établies montrent une teneur en eau à l’origine (pour C/L=0)

nettement plus élevée (deux à trois fois supérieur jusqu’à 80 % HR) pour les formulations TC que

pour les formulations à base de fines. Celles-ci présentent des valeurs un peu plus élevées dans le cas

des fines stabilisées. Ainsi, la quantité d’eau adsorbée dans la matrice ThermO



est plus élevée que

celle fixée dans les matrices à base de fines, et de la même façon légèrement supérieure pour les fines

stabilisées que pour les fines non stabilisées.

Pour l’ensemble des humidités relatives considérées, l’évolution de la teneur en eau en

fonction du rapport C/L est similaire pour les formulations à base de fines AC et ASC. Pour les

humidités relatives faibles et moyennes (jusqu’à 50 % HR), cette évolution est plus faible pour les

formulations TC que pour les formulations AC et ASC. A 65 % HR, les pentes sont similaires quel

que soit le type de formulation. Enfin, pour les humidités relatives élevées, l’effet du rapport C/L est

plus marqué sur les formulations TC que sur les autres formulations.

Au bilan, cette étude définit les corrélations entre le rapport C/L et les teneurs en eau pour les

différentes humidités relatives explorées. Ainsi, pour des composites réalisés avec le mode de mise en

œuvre considéré ici, cet outil permet de prédire, pour les différentes matrices étudiées, les isothermes

de sorption pour n’importe quelle formulation.

Figure VII-8 : Evolution de la teneur en eau massique en fonction du rapport chanvre sur liant

pour les différentes formulations sous différentes hygrométries : a) AC, b) ASC et c) TC

(a)

(b)

Valeur tampon hygrique

VII.1.2.1Données brutes : humidité relative ambiante et cinétique de prise/perte de masse au

Dans le document Elaboration et caractérisation mécanique, hygrique et thermique de composites bio-sourcés (Page 162-172)