Étude des transferts de chaleur et de masse dans les matériaux de construction : Caractérisation d’un agro-matériau à base du béton et de liège

N° d’ordre : Série :

Université Mohammed Seddik BENYAHIA - Jijel

Faculté des Sciences et de la Technologie Département : Génie des procédés

Thèse Présentée

Pour l’obtention du Diplôme de Doctorat en Sciences Spécialité : Génie des Matériaux

Par : Hocine BOUSSETOUA Thème :

Soutenue le :30/06/2018, Devant le Jury composé de :

Mr. BOUCHAIR Ammar Professeur U. M.S.B. Jijel Président

Mr. BELHAMRI Azzedine Professeur U. Constantine 1 Directeur de thèse Mr. NOUICER Khireddine Professeur U. M.S.B. Jijel Examinateur

Mr. BOUZRIRA Cherif Professeur U. M.S.B. Jijel Examinateur

Mr. MAHRI Zinelabidine Professeur U. Constantine 1 Examinateur

Mr. KABAR Yassine MCA E.P.C. Constantine Examinateur

Étude des transferts de chaleur et de masse dans les matériaux de construction : Caractérisation d’un agro-matériau à base du béton et de

liège

II

Remerciements

La majorité des travaux présentés dans ce mémoire ont été réalisés au Laboratoire GRESPI/Thermomécanique de l’Université de Reims, sous la tutelle de l’université de Jijel dans le cadre PNE (Projet National Exceptionnel 2013).

En premier lieu, je tiens à exprimer toute ma connaissance et ma gratitude à Mr : Azzedine BELHAMRI, Professeur de l’université de Constantine 1, mon directeur de thèse pour sa confiance et les nombreux conseils qu’il a pu me donner tout au long de ce travail.

Je tiens à remercier Mr : Mohammed LACHI, Professeur de l’université de Reims, pour son accueil, son encadrement efficace et surtout pour son encouragement.

Je tiens à remercier également Mr : Chadi MAALOUF, Maître des conférences à l’université de Reims, qui m’a accompagné durant toutes les années pour effectuer les travaux de cette thèse.

J’adresse ma profonde gratitude au professeur Ammar BOUCHAIR, enseignant à l’université de Jijel, qui a accepté de présidé le jury de ma soutenance.

Je suis particulièrement reconnaissant envers Mr. Khireddine NOUICER et Mr. Cherif BOUZRIRA, Professeurs à l’université de Jijel, Mr. Zinelabidine MAHRI Professeur à l’université de Constantine 1 et Mr. Yassine KABAR, Maître des conférences à l’université de Constantine 3, qui ont accepté de participer en tant examinateurs au jury de cette thèse.

J’adresse également de sincères remerciements à Mr Patrick JUPILLAT, technicien au laboratoire GRESPI/Thermomécanique de l’Université de Reims, pour sa collaboration dans l’élaboration de nos échantillons.

Je remercie enfin ma famille et tous mes proches, qui m’ont soutenu et encouragé.

III

Dédicace

A mes parents qu’Allah leur fasse miséricorde.

IV

Résumé

Les matériaux de construction ont une influence très importante sur les changements climatiques. L’utilisation de matériaux locaux et bio-ressourcés dans le secteur du bâtiment est une bonne solution pour réduire l’énergie grise et les consommations de chauffage en hiver et de climatisation en été, par conséquent on protège l’environnement et on assure un développement durable. À titre d’exemple en Algérie le matériau le plus utilisé dans le secteur de la construction est la brique creuse qui consomme beaucoup d’énergie, soit grise (extraction de l’argile, la cuisson, séchage…), soit l’énergie consommée pour le chauffage et le refroidissement.

C’est dans ce contexte que nous avons choisi de travailler sur un agro-matériau à base du béton et de liège. L’objectif principal de ce travail est de caractériser ce composite en terme de ses propriétés mécaniques et thermo-hydriques expérimentalement en tentant de l’utiliser dans la structure des parois d’habitation. La conductivité thermique est modélisée théoriquement également. Les résultats montrent que l'échantillon devient plus léger en augmentant la teneur en liège et ses résistances mécaniques et sa conductivité thermique diminuent. Par conséquent, le matériau devient un meilleur régulateur de l'humidité relative à l'intérieur des bâtiments. Pour une teneur en volume élevée de liège de 75% (par rapport au sable), le matériau est adapté pour être utilisé comme un mur non porteur de charge dans une structure, il a été montré qu'il peut être considéré comme un bon isolant thermique et peut être classé comme un bon régulateur pour les variations de l'humidité relative intérieure. Les isothermes de sorption confirment que plus la proportion de liège est importante dans l'échantillon, plus il adsorbe l'eau.

Les propriétés hygrothermiques trouvées sont incorporées dans le modèle numérique via l'environnement SPARK pour évaluer les performances hygrothermiques du matériau au niveau d’un local d’habitation. Ce modèle prend en compte les transferts couplés de chaleur et d'humidité. Les résultats numériques pour les villes de Constantine et d'Alger montrent que le béton de liège conduit à de meilleures économies d'énergie dans les saisons froides et chaudes si le transfert d'humidité est pris en compte avec le transfert de chaleur.

Mots clés : Béton de liège, propriétés thermo-hydriques, propriétés mécaniques, transferts de chaleur et de masse, simulation numérique, SPARK.

V

Abstract

Building materials have a very important influence on climate change. The use of local and bio-resourced materials in the building sector is a good solution to reduce the gray energy and that of heating in winter and cooling in summer; therefore, we protect the environment and ensure sustainable development. For example, in Algeria, the often used material in the construction of buildings is hollow brick that consumes a lot of energy, either gray (extraction of clay, cooking, drying ...), or the energy consumed for the building heating and cooling.

It is in this context that we chose to work on an agro-material based on concrete and cork.The main objective of this work is to characterize this composite in terms of its mechanical and hygrothermel properties experimentally by trying to use it in the structure of the residential walls.Thermal conductivity is modeled theoretically as well.The results show that the sample becomes lighter by increasing the cork content and its mechanical strengths and thermal conductivity decrease. As a result, the material becomes a better regulator of moisture inside buildings.For a high cork volume content of 75% (relative to sand), the material is suited to be used as a non-load bearing wall within a framework structure, therefore it can be considered as a good thermal insulator and can be classified as a good regulator for indoor relative humidity variations.The sorption isotherms confirm that the greater the proportion of cork in the sample, the more it adsorbs water.

The measured hygrothermal properties are incorporated into a numerical code via the SPARK environment to evaluate the hygrothermal performance of the material at room level.

This model takes into account the transient coupled transfer of heat and humidity. The numerical results for the cities of Constantine and Algiers show that cork concrete leads to better energy savings in the cold and hot seasons.

Key words: Cork concrete, hygrothermal properties, mechanical properties, heat and mass transfer, numerical simulation, SPARK.

VI

صخلم

ءانبلا عاطق يف ةيويحلا دراوملا تاذ دراوملاو ةيلحملا داوملا مادختسا دعيو .خانملا ريغت ىلع ادج اماه اريثأت رثؤت ءانبلا داوم نمضنو ةئيبلا يمحن اننإف يلاتلابو ،فيصلا يف ديربتلاو ءاتشلا لصف يف ةئفدتلاب ةصاخلاو ةيدامرلا ةقاطلا نم دحلل اديج لاح تسملا ةيمنتلا كلهتسي يذلا فوجملا بوطلا يه ينابملا دييشت يف ابلاغ ةمدختسملا داوملا رئازجلا يف لاثملا ليبس ىلع .ةماد

نيطلا جارختسا( يدامرلا امإ ،ةقاطلا نم ريثكلا ’

.ينابملل ديربتلاو ةئفدتلا يف .ةكلهتسملا ةقاطلا وأ ،)... فيفجتلاو يهطلا

رز ةدام ىلع لمعلا انرتخا قايسلا اذه يف فصو وه لمعلا اذه نم يسيئرلا فدهلا نا .نيلفلاو ةناسرخلا ىلع يوتحت ةيعا

ةيكيناكيملا هصئاصخ ثيح نم بكرملا اذه ’

ناردجلا ةينب يف همادختسا ةلواحم للاخ نم ايبيرجت ةيئاملاو ةيرارحلا

و فخأ حبصت ةنيعلا نأ جئاتنلا ترهظأ دقل .ايرظن كلذك تسرد ةيرارحلا ةيلقانلا .ةينكسلا نيلفلا ىوتحم ةدايز للاخ نم انز

ةنيعلل ةبسنلاب .ينابملا لخاد ةبوطرلل لضفأ مظنم ةداملا حبصت ،كلذل ةجيتنو .ةيرارحلا ةيلقانلاو ةيكيناكيملا ةوقلا فعضو ( ةبسنب نيلفلا نم ةيلاع ةبسنب يوتحت يتلا 75

٪ دقو لكيه يف لمحم رادجك مادختسلال ةبسانم ةداملا نوكت ،)لمرلل ةبسنلاب

صاصتملاا ىنحنم .ةينكسلا نكاملأا يف ةبوطرلا يف تاريغتلل ديج مظنمك اهفينصت نكميو ايرارح .ديج لزاع هنأ نيبت .ءاملل اصاصتما رثكأ تناك ،ةنيعلا يف نيلفلا ةبسن تداز املك نأ دكؤي ةتباث ةرارح ةجرد تحت ةبوطرلل

ا يف اهيلع انلصح يتلا ةيئاملاو ةيرارحلا صئاصخلا جمد مت ةداملل ةيئاملاو ةرارحلا ءادأ مييقتل كرابس ربع يددعلا جذومنل

ةيددعلا جئاتنلا نيبتو .اعم نينثلاا ةبوطرلاو ةرارحلا لقن رابتعلاا يف جذومنلا اذه ذخأي .ينكس تيبل رادجك اهلامعتسا دنع مساوملا يف ةقاطلل لضفأ ريفوت ىلإ يدؤت نيلفلا ةناسرخ نأ رئازجلاو ةنيطنسق يتنيدمل نيعب ذخأ ام اذإ ةنخاسلاو ةدرابلا

.تقولا سفن يف ةرارحلا لاقتنا عم ةبوطرلا لقن رابتعلاا ةلادلا تاملکلا ،ةيددعلا ةاكاحملا ،ةلتكلاو ةرارحلا لاقتنا ،ةيكيناكيملا صاوخلا ،ةيئاملاو ةيرارحلا صاوخلا ،نيلفلا ةناسرخ :

.كرابس

VII

Table des matières

Résumé Abstract Sommaire Nomenclature

Introduction générale

1. Chapitre 1 : Recherche bibliographique 4

1.1. Introduction 5

1.2. L’impact du bâtiment sur l’environnement 5

1.3. Modèles de maîtrise d’énergie dans le bâtiment 6

1.3.1. Label Passivhaus en Allemagne 7

1.3.2. Lois grenelle 1 et 2 en France 7

1.3.3. Programme triennal d’efficacité énergétique 2011-2013 en Algérie 8

1.4. Isolation thermique des bâtiments en Algérie 10

1.4.1. Introduction 10

1.4.2. Structure des parois des bâtiments en Algérie 11

1.4.3. Qualité des isolants thermiques 13

1.4.4. Quelques matériaux isolants 14

A. Laine de Roche 14

B. Laine de Verre 15

C. Polyuréthane 16

D. Polystyrène 17

E. Béton de Polystyrène 18

F. Perlite Expansée 18

G. Béton de perlite 19

H. Béton cellulaire 20

I. Thermo pierre 21

1.5. Le liège 21

1.5.1. Definition 21

1.5.2. Répartition mondiale et locale 21

1.5.3. Formation 22

1.5.4. Composition 23

1.6. Travaux antérieurs sur le béton de liège 24

1.7. Conclusion 35

Références 36

2. Chapitre 2 : Caractérisation mécanique et hygrothermique d’un agro matériau à base de béton et de liège

(étude expérimentale)

2.1. Introduction 39

2.2. Elaboration des échantillons 39

VIII

2.2.1. Caractéristiques des matériaux utilisés 39

A. Le sable 39

B. Le ciment 40

2.2.2. Propriétés physiques et hydriques des granulats du liège et du sable 40

A. La masse volumique réelle et l'absorption d'eau 40

B. La masse volumique en vrac et la porosité inter-granulaire 41

2.2.3. Préparation des échantillons 42

2.3.Mesure et détermination des propriétés 43

2.3.1. Propriétés physiques 43

A. La densité durcie et résistance à la compression 43

B. Résistance à la flexion 44

2.3.2. Propriétés hydriques 44

A. La valeur tampon d’humidité 44

B. Courbe de sorption 45

C. Perméabilité à la vapeur d’eau 47

D. L’absorption d'eau 48

2.3.3. Propriétés thermiques 50

A. La conductivité thermique 50

B. La capacité calorifique 54

2.4.Résultats et discussion 55

2.4.1. Propriétés physiques 55

A. La densité durcie et résistance à la compression 55

B. Résistance à la flexion 58

2.4.2. Propriétés hydriques 59

A. La valeur tampon d’humidité 59

B. Courbe de sorption 60

C. Perméabilité à la vapeur d’eau 61

D. L’absorption d'eau 61

2.4.3. Propriétés thermiques 62

A. La conductivité thermique 62

B. La capacité calorifique 64

2.5. Conclusion 64

Références 65

3. Chapitre 3 : modélisation théorique de la conductivité thermique 67

3.1. Introduction 68

3.2. Définition d’un milieu poreux 68

3.3. Caractéristiques d’un milieu poreux 69

3.3.1. La porosité et la compacité 69

3.4. Modèles de prédiction de la conductivité thermique 69

3.4.1. Modèles à bornes 70

A. Modèle en série 70

B. Modèle en parallèle 70

C. Modèle de Hashin et Shtrikman 71

IX

3.4.2. Modèles de type Maxwell 71

A. Modèle de Maxwell 71

B. Modèle de Hamilton 72

C. Modèle de De Vries 72

D. Modèle de Rayleigh 73

3.4.3. Modèles des milieux périodiques 73

A. Modèle de Wyllie et Southwick 74

B. Modèle de Krischer 74

C. Modèle de P.L.Chaurasia, D.R.Chaudary et R.C.Bhnadari 75

D. Modèle de Russel et S.Frey 75

3.4.4. Modèle d’homogénéisation auto-cohérente 76

A. Modèle à inclusion simple 77

B. Modèle à inclusions bi-composite 79

C. Modèle à inclusions tri-composite 81

3.5. Approche du calcul à l’état sec 83

3.5.1. Approche du calcul avec différents modèles 83

A. Modèle d’homogénéisation auto-cohérente appliqué au

(liège +sable+ ciment) en vrac 83

3.5.2. Approche du calcul avec le modèle d’homogénéisation 84 A. Modèle d’homogénéisation auto-cohérente appliqué

au (liège + sable) en vrac 85

3.6. Approche du calcul à l’état humide 86

3.6.1. Approche du calcul avec les différents modèles 87

A. Modèle d’homogénéisation auto-cohérente appliqué au (eau + air) 87 3.6.2. Approche du calcul avec l’homogénéisation auto-cohérente 88

A. Approche 1 88

B. Approche 2 90

3.7. Résultats et discussion 93

3.7.1. Conductivité thermique à l’état sec 93

3.7.2. Influence de l’humidité sur la conductivité thermique 94

3.8. Conclusion 95

Références 95

4. Chapitre 4 : Modélisation des transferts hygrothermiques

dans les bâtiments (application béton du liège)

4.1. Introduction 98

4.2. Modélisation de transferts de chaleur et d'humidité dans le bâtiment 98 4.2.1. Principales hypothèses du modèle de transfert de chaleur et d'humidité 98 4.2.2. Description mathématique du Modèle de transfert de chaleur et d'humidité 98

A. Bilan massique 98

B. Bilan énergétique 101

4.2.3. Conditions aux limites sur les surfaces de la paroi du mur 104 4.2.4. Détermination des coefficients de transfert surfacique 106

4.2.5. Modélisation du rayonnement solaire 107

X

A. Modèle de rayonnement extérieur 107

B. Modèle de rayonnement intérieur 109

4.2.6. Détermination des coefficients de transport d’humidité 110

A. Le coefficient de transport d’humidité

D

B. Les coefficients de transport d’humidité

D

4.2.7. Modèle d’un local 112

4.3. Simulation numérique 112

4.3.1. Méthode de discrétisation 112

4.3.2. L’environnement de simulation SPARK 115

A. Définition 115

B. Librairie des modèles dans SPARK 116

C. Description d’une simulation dans SPARK 117

4.3.3. Conditions de la validation du modèle 125

4.3.4. Configuration du local étudié 126

4.3.5. Résultats numériques 128

A. effet du modèle 128

B. Effet du taux de ventilation de l'air 131

C. Effet du revêtement interne 134

4.4. Conclusion 135

Références 137

5.

Conclusion générale et perspectives

6.

Annexes

Annexe 1 143

Annexe 2 146

XI

Nomenclature

Certaines notations, utilisées localement, ne figurent pas dans la liste ci-dessous. Elles sont précisées au fur et à mesure de leur apparition dans le texte.

Symbole Définition Unité

A La surface m²

a paramètre thermodynamique

b constante de calibration

C La chaleur spécifique J/kg K

D le coefficient de transport m²/s.K

e L’épaisseur m

h Le coefficient de transfert thermique J/m².s.K

ou massique kg/m².s.K

L la chaleur latente de vaporisation J/Kg

M La masse kg

P La pression Pa

q La densité de flux de vapeur kg/m².s

R Rayon m

S La surface m²

T La température K

V Le volume m³

W Le coefficient d’absorption sans unité

Notations grecques

Symbole Définition Unité

 La Masse volumique kg/m³

 La Porosité %

 La compacité %

 La teneur en eau du matériau kg/kg

 La perméabilité à la vapeur du matériau kg/m.s.Pa

 La Perméance kg/s.Pa

 Le facteur de résistance sans unité

 Le flux de chaleur W

 La conductivité thermique W/mK

Indices

Notation Signification

A lié à l’absorption

a absolue

ae lié à l’air extérieur

ai lié à l’air intérieur

XII

se lié à la surface extérieure

si lié à la surface intérieure

b en vrac

eff effective

f fluide

h humide

s solide

w lié à l’eau

rd réelle déterminée après séchage à l’étuve

sat lié à la saturation

ssd réelle saturée surface sèche

v lié à la vapeur

t lié au temps

atm lié à l’air atmosphérique

0 lié à l’état initial

Abréviations

Notations Signification

APRUE L’Agence Nationale pour la Promotion et la Rationalisation de l'Utilisation de l'Energie

COP21 La vingt et unième Conférence des Parties

CSP Centrale solaire thermodynamique (Concentrating Solar Power Plant)

C/S Le rapport sable/ciment

CLO Courtes longueurs d’ondes

DGRF Direction générale des ressources forestière portugaise

E/C Le rapport eau/sable

E+C- Energie positive et bas carbone

Ep Energie primaire

FNERC Fonds National des Energies Renouvelables et Cogénération GPLc Gaz de Pétrole Liquéfié carburant

GNc Gaz naturel compressé

GIEC Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat

GLO Grandes longueurs d’ondes

GRESPI Groupe de Recherche en Sciences pour l'Ingénieur

GT Gigatonne

GES Les gaz à effet de serre

HT Modèle de transfert thermique (Heat transfer)

HAM Modèle couplé de transfert thermique et d’humidité (Heat and mass transfer)

HVAC Le chauffage, ventilation et climatisation (heating, ventilation and air-conditioning)

HQE Haute Qualité Environnementale

XIII

MBV valeur tampon de l’humidité (Moisture buffring value) IUPAC International Union of Pure and Applied Chemistry

BBC Bâtiment basse consommation énergétique

BL Béton de liège

BTP Bâtiment et travaux publics

PSE Le polystyrène expansé

PUR Le polyuréthane

RT Règlementation thermique

SPARK Simulation Problem Analysis and Research Kernel

TEP Tonne d'équivalent pétrole

XPS Le polystyrène extrudé

2

Introduction générale

1. Problématique

En Algérie, dans la construction des bâtiments, les matériaux utilisés souvent sont : la brique creuse et le béton ordinaire. Suite à la conférence des Nations Unies sur le changement climatique à Copenhague visant à limiter l’augmentation de la température planétaire moyenne à moins de 2 °C par rapport au niveau de l’ère préindustrielle [1] ; ces matériaux sont devenus indésirables à cause de leur consommation de l’énergie. Cette énergie est consommée lors de la fabrication soit dans la cuisson ou dans le séchage pour le cas de la brique. Le béton ordinaire a une grande conductivité thermique qui le rend responsable d'une consommation très excessive en énergie soit pour le chauffage en hiver ou pour la climatisation en été.

Pa ailleurs, les bâtiments résidentiels sont conçus pour offrir un environnement sain et confortable à l'intérieur pour les occupants. Cependant, afin de réaliser des économies d’énergie on a tendance à diminuer le chauffage ou la température des locaux, ce qui engendre inévitablement, dans de nombreux immeubles d'habitation, des désordres liés aux problèmes d'humidité. Quand elle est faible, l’humidité relative intérieure procure pour les occupants une gêne et un inconfort et quand elle est élevée, cette dernière peut conduire à la détérioration du matériau même et peut causer par ailleurs des problèmes de santé graves dus à la formation de moisissures. La question qui se pose ici, quel matériau qui résoudre ces problèmes ?

2. Hypotheses

Dans ce contexte beaucoup de travaux sont entrepris dans le seul but de minimiser la consommation énergétique, pour réduire collectivement les émissions des gaz à effet de serre et de trouver des matériaux régulateurs de l’humidité intérieure. L'utilisation des matériaux locaux est l’une des solutions intéressantes qui permet de réduire la consommation d'énergie et de préserver l’environnement. Parmi ces nouveaux matériaux qui font l’objet des recherches actuelles on retrouve le béton allégé avec du liège. Ce dernier est un produit naturel qui possède d'importantes caractéristiques qui le rendent à la fois utile et nécessaire à plusieurs branches d'activités industrielles et en particulier dans la construction de bâtiments. Le liège est un matériau vivant et naturel, provenant d'une variété de chêne-liège qui reconstitue son écorce dès qu’elle est prélevée chaque année. L'habitat naturel du chêne- liège est le pourtour du bassin méditerrané occidental (présent depuis plus de 60 millions d'années). Le liège est un matériau de faible densité et offre une excellente isolation thermique et acoustique. Il s'agit d'une matière première renouvelable dont la récolte préserve l'arbre et contribue à améliorer sa santé et prolonger sa durée de vie. L'aire naturelle de la subéraie mondiale est d'environ 2687000 hectares repartis principalement sur sept pays [2]. Les principales subéraies algériennes sont situées essentiellement en zone sub-humide au nord, et entre l'Algérois et la frontière Tunisienne, ou elles s'étendent de la mer jusqu'à 1200 m d'altitude.

3. Les objectifs

Dans le dessein de mieux répondre aux questions soulevées par la problématique, ce travail va fixer un certain nombre d’objectifs :

1- Étudier les travaux effectuer sur les matériaux utilisant le liège comme un constituant, pour mieux positionner notre travail ;

3

2- Elaborer un matériau qui répond aux exigences actuelles ;

3- Déterminer expérimentalement les propriétés de notre matériaux ;

4- Etudier théoriquement par simulation les performances hygrothermiques de ce matériau.

4. Structure de la thèse

Dans ce manuscrit, le chapitre 1 est une recherche bibliographique. Après avoir présenté le contexte de l’impact des bâtiments sur le phénomène de réchauffement climatique, nous décrivons une multitude des matériaux isolants utilisés dans le domaine de construction des bâtiments. Le dernier paragraphe de ce chapitre est consacré à une synthèse des travaux effectués sur les matériaux utilisant le liège comme composant dans leurs structures.

Dans le chapitre 2 nous présentons l’élaboration de notre matériau (béton de liège).

L’étude du comportement hygrothermique de notre matériau et très importante. Pour cela, nous allons mener plusieurs travaux expérimentaux qui déterminent ses propriétés : les propriétés mécaniques (masse volumique, résistance à la compression et à la flexion), thermiques (la conductivité thermique et la chaleur spécifique) et hydriques (teneur en humidité, la perméabilité à la vapeur d’eau, la valeur tampon d'humidité et l'absorption de liquide par immersion partielle).

D’autres propriétés sont également déterminées comme la conductivité thermique et la chaleur spécifique. La connaissance de la conductivité est très importante dans le domaine des bâtiments. Cette propriété est utilisée notamment pour évaluer le transfert de chaleur à travers les parois. Pour rationaliser les dépenses énergétiques pour le chauffage en hiver et pour le refroidissement en été, il faut choisir un matériau isolant à faible conductivité thermique. C’est pour ça, nous avons consacré le troisième chapitre pour déterminer celle de notre composite (béton du liège) avec plusieurs modèles théoriques. Ces données sont ensuite utilisées pour évaluer par simulation numérique les performances énergétiques de ce nouveau matériau à l’échelle de la paroi et à l’échelle d’un local. Pour cela le chapitre 4 est consacré à l’étude numérique. L’environnement SPARK est utilisé pour faire les simulations. En clôture de ce travail une conclusion générale et les perspectives sont donnés à la fin.

CHAPITRE 1

CONTEXTE ET ETAT DE L’ART

Dans ce premier chapitre, après une présentation du contexte de l’impact des bâtiments sur le phénomène de réchauffement climatique, nous présentons les matériaux de construction utilisés dans les pays de Maghreb en général et l’Algérie en particulier. Nous présentons dans la suite les travaux antérieurs concernant l’utilisation du liège comme un composant dans les bétons étudiés. Ces travaux ont utilisé comme constituants principaux : le sable, la terre, le gypse et le ciment, en ajoutant du liège pour améliorer le pouvoir isolant de ces composites.

Dans ces travaux, les propriétés mécaniques, thermiques et hydriques sont principalement les objectifs atteints.

5

1.1. Introduction

L’économie d’énergie est devenue une évidence, que ce soit pour des raisons environnementales (la pollution de l’air atmosphérique et l’effet de serre), ou d’épuisement des sources d’énergie (pétrole, gaz, charbon, uranium).

D’une part, il y a la consommation directe d’énergie, que l’on peut facilement quantifier à l’aide de compteurs (gaz, mazout, électricité, carburant...) et pour lesquels on reçoit une facture, d’autre part, il y a ce que l’on appelle couramment l’énergie «grise» : l’énergie nécessaire à la fabrication, au transport et à l’élimination des matériaux.

Le calcul de cette énergie grise prend en compte l’analyse du cycle de vie complet du produit : conception, extraction et transport des matières premières, transformation des matières et fabrication du produit, commercialisation, usage et mise en œuvre et enfin, son recyclage éventuel. On calcule ainsi la somme des énergies nécessaires de la conception au recyclage d’un matériau. A ce jour, peu de constructeurs tiennent compte de ce facteur. Il est pourtant décisif dans la consommation énergétique globale nécessaire à la construction et l’habitation d’une maison.

Donc, les matériaux de construction ont une influence très importante sur les changements climatiques grâce à cette énergie grise consommée. L’utilisation de matériaux locaux et bio-ressourcés dans le secteur du bâtiment est une bonne solution pour réduire l’énergie grise et par conséquent protéger l’environnement et assurer un développement durable. À titre d’exemple en Algérie le matériau utilisé souvent dans la construction des bâtiments est la brique creuse qui consomme beaucoup d’énergie (extraction de l’argile, la cuisson, séchage…).

Dans ce premier chapitre, après une présentation du contexte de l’impact des bâtiments sur le phénomène de réchauffement climatique et l’isolation utilisée dans ce secteur, nous mettons en évidence l’utilisation du béton de liège dans la construction afin de réduire les consommations énergétiques et les émissions de gaz à effet de serre et afin d’assurer un confort hygrothermique dans l’habitat. Nous présentons dans la suite les travaux expérimentaux surtout les propriétés mécaniques, thermiques et hydriques du béton de liège trouvées dans la littérature.

1.2. L’impact du bâtiment sur l’environnement

L'effet de serre est un phénomène naturel qui permet à la basse atmosphère de se maintenir autour de 15 °C, en moyenne. Il est lié à la présence dans l'atmosphère de certains gaz (vapeur d'eau, dioxyde de carbone, méthane…) : les gaz à effet de serre. Sans eux, la température avoisinerait -18 °C, réduisant fortement les formes de vie sur la terre.

La communauté scientifique ne doute plus du réchauffement de la planète. Ce réchauffement est expliqué par l'augmentation très forte des concentrations des gaz à effet de serre dans l'atmosphère, suite aux émissions générées par les activités humaines : production de l'énergie et autres combustions pour les industries et les bâtiments, transports, fermentation des déchets. La production de CO2 dépasse désormais largement les quantités que les océans et la végétation peuvent absorber. Lutter contre le réchauffement global est devenu une préoccupation mondiale. En même temps que la planète se réchauffe, le régime des

6

précipitations se modifie et des phénomènes extrêmes tels que sécheresses, inondations et incendies de forêts deviennent plus fréquents. Dans les zones côtières densément peuplées et dans les états insulaires, des millions de personnes seront chassées de leurs habitations par la montée des eaux. Les populations pauvres d’Afrique, d’Asie et d’autres parties du monde sont confrontées à la perspective de récoltes désastreuses, d’une baisse de la productivité agricole, et d’une recrudescence de la faim, de la malnutrition et de la maladie [3].

Le secteur de l'habitat, caractérisé par une urbanisation croissante et une demande de confort plus importante des populations, est responsable d'environ 20 % des émissions de CO2

[4].

D’après le cinquième rapport d'évaluation du GIEC de 2014 les émissions anthropiques totales de gaz à effet de serre, sont aux environs de 49 GT équivalents de CO2. Afin de limiter la pollution et les effets du réchauffement climatique sur notre planète, il faut donc diminuer ces émissions notamment le CO2. La figure 1.1 montre que la grande partie responsable de l’émission direct du CO2 est l’électricité et la production de chaleur 25 %. Dans cette catégorie, on trouve les émissions indirects dominantes ceux des bâtiments avec 12 %. La part des émissions direct du secteur du bâtiment est aux environs de 6,4 %.

Figure 1. 1. Les émissions mondiales de CO2 pour différents secteurs (GIEC, 2014). AFAT : Agriculture, foresterie et autres affectations des terres.

1.3. Modèles de maîtrise d’énergie dans le bâtiment

Au lendemain des accords de Kyoto, les pays industrialisés ont mis en place des modèles de maîtrise d’énergie applicables aux bâtiments. Ces modèles sont repartis en trois principaux groupes appelés « Basse consommation d’énergie », « Economie et production d’énergie »,

«Energie et environnement » [5-6].

7

1.3.1. Label Passivhaus en Allemagne [7]

Le label Passivhaus est un label allemand de performance énergétique des bâtiments. Il est devenu obligatoire pour les nouvelles constructions dans certains cantons d’Allemagne. Le Passivhaus est un concept global de construction de bâtiment à très faible consommation d’énergie. Le but de ce concept est de créer des logements qui permettent de se passer de chauffage conventionnel. En Français, cela signifie maison passive, c’est à dire une maison ne se chauffant pas par un moyen nécessitant des éléments consommant de l’énergie. Les bâtiments labélisés Passivhaus permettent de réaliser des économies d’énergie allant jusqu’à 90% par rapport à un bâtiment classique. Des économies d’énergie considérables ont été mises en évidence dans les climats chauds, où les bâtiments classiques exigent un refroidissement actif. Les maisons Passivhaus font un usage efficace du soleil, des sources de chaleurs internes et de la récupération de chaleur, ce qui rend le système de chauffage conventionnels inutiles.

Les bâtiments Passivhaus sont construits pour le haut niveau de confort qu’elles procurent. Les maisons passives utilisent pour réguler la température de l’intérieur, le chauffage solaire et la chaleur dégagée en intérieur par les appareils électroménager et par les habitants.

Ce procédé suffit afin de chauffer une habitation et de maintenir des températures intérieures confortables. Les bâtiments labélisés Passivhaus utilisent un système de ventilation imperceptible, procurant un air pur sans perception de courant d’air. L’unité de récupération de chaleur permet l’utilisation de la chaleur contenue dans l’air afin de chauffer l’intérieur.

Les économies d’énergie dans les grands bâtiments Passivhaus sont obtenues en utilisant en particulier les composants de construction éco énergétiques et un système de ventilation de la qualité : Il n’y a absolument aucun arrière de coupe sur le confort, mais plutôt le niveau de confort est considérablement augmenté.

L’obtention du label Passivhaus repose sur un cahier des charges précis :

 La consommation de chauffage doit être inférieure à 15 kWh par mètre carré et par an. Il est considéré que 15 kWh/m²/an suffisent à chauffer un bâtiment dans de bonnes conditions grâce au soleil et à la récupération de la chaleur interne.

 L’étanchéité de l’enveloppe de l’habitat doit être inférieure à 0,6 vol/h pour une différence de pression de 50 Pa. Cela signifie que l’habitat doit être assez étanche afin de conserver la chaleur dans l’enceinte de la maison.

 Les besoins en énergie primaire doivent être inférieurs à 120 kWh par mètre carré par an.

1.3.2. Lois grenelle 1 et 2 en France [8]

En France, la démarche HQE (Haute Qualité Environnementale) est une méthode de travail qui propose une trame pour toutes les étapes de la construction, la durée de vie de la construction, la maintenance et la démolition afin de réaliser un bâtiment respectueux de l’environnement utilisant les nouvelles technologies et des matériaux à faible impact. Afin de limiter les consommations énergétiques, l’arrêté ministériel du 3 mai 2007 définit les exigences réglementaires du label BBC (bâtiment basse consommation énergétique) qui est repris par le grenelle 1 et grenelle 2. Depuis la mise en place d’une réglementation thermique (1974), la consommation énergétique des constructions neuves a été divisée par 2. La loi a prévu de la

8

diviser à nouveau par 3 grâce à la nouvelle réglementation thermique, dite RT 2012. Un des leviers d’action pour agir consiste à travailler sur la construction de bâtiments neufs en imposant des normes énergétiques plus sobres. Pour atteindre cet objectif, le plafond de 50 kWh ep /(m².an), valeur moyenne du label « bâtiments basse consommation » (BBC), est devenu la référence dans la construction neuve. Ce saut permettra de prendre le chemin des bâtiments à énergie positive en 2020.

Afin de préparer la future réglementation thermique environnementale de la construction neuve. Le label E+ C- (Energie positive et bas carbone) viendra pour remplacer en 2020 l’actuelle Règlementation Thermique 2012 (RT 2012). L'État française a lancé ce label suite à l’accord de Paris à l’occasion de la COP 21, pour contribuer à la lutte contre le changement climatique autour de deux grandes orientations pour la construction neuve :

 La généralisation des bâtiments à énergie positive.

 Le déploiement de bâtiments à faible empreinte carbone tout au long de leur cycle de vie, depuis la conception jusqu'à la démolition.

La France se fixe un objectif majeur dans le domaine du bâtiment : Réduire les dépenses énergétiques dans le domaine du bâtiment, impliquant le développement et la diffusion de nouvelles technologies dans la construction neuve et la mise en œuvre d’un programme de rénovation accélérée du parc existant.

Pour atteindre cet objectif, cinq grands axes sont définis :

 Renforcer la réglementation thermique applicable aux constructions neuves afin de réduire les consommations d’énergie et les émissions de gaz à effet de serre.

 Réduire les consommations d’énergie du parc des bâtiments existants d’au moins 38 % d’ici à 2020. À cette fin, l’État se fixe comme objectif la rénovation complète de 400 000 logements chaque année à compter de 2013.

 Promouvoir le bois éco-matériau dans la construction et adapter les normes de construction au matériau bois.

 Améliorer la gestion des déchets du BTP en imposant les diagnostics préalables aux chantiers de démolition et les plans de gestion départementaux.

 Améliorer la qualité de l’air intérieur des bâtiments, notamment dans les établissements recevant un public nombreux ou vulnérable et dans tous les établissements publics recevant du public.

1.3.3. Programme triennal d’efficacité énergétique 2011-2013 en Algérie [9]

Le programme triennal d’efficacité énergétique « 2011-2013 » émane lui-même du programme national des énergies renouvelables et d’efficacité énergétique, adopté par le Conseil des Ministres en février 2011. Le programme d’efficacité énergétique, obéit à la volonté de l’Algérie de favoriser une utilisation plus responsable de l’énergie et d’explorer toutes les voies concourant à la préservation des ressources et la systématisation d’une consommation utile et optimale. Ce programme concerne les volets suivants :

 L’isolation thermique des bâtiments ;

 Le développement du chauffe-eau solaire ;

9

 La généralisation de l’utilisation des lampes basse consommation ;

 L’introduction de l’efficacité énergétique dans l’éclairage public ;

 L’aide à l’introduction de l’efficacité énergétique dans le secteur industriel et les établissements grands consommateurs d’énergie, par la réalisation d’audits et l’aide aux projets d’économie d’énergie ;

 L’augmentation de la part de marché du gaz de pétrole liquéfié carburant et la promotion du gaz naturel carburant la conversion des centrales électriques au cycle combiné quand cela est possible ;

 La réalisation de projets pilotes de climatisation au solaire.

L’Agence Nationale pour la Promotion et la Rationalisation de l'Utilisation de l'Energie (APRUE) est chargée de réaliser le programme d’efficacité énergétique notamment par :

 L’isolation thermique des bâtiments ;

 La généralisation de l'utilisation des lampes à basse consommation d’énergie ;

 L’introduction de la performance énergétique dans l'éclairage public ;

 La promotion de l'efficacité énergétique dans le secteur industriel ;

 La promotion du gaz de pétrole liquéfié carburant ;

 La promotion du gaz naturel carburant ;

 Introduction des principales techniques de climatisation solaire.

D’autres programmes qui suivent le Programme triennal d’efficacité énergétique 2011- 2013, sont : le Programme d’Efficacité Energétique pour l'année 2015 et Le programme national de développement des énergies renouvelables actualisé 2016.

Le Programme Nationale de l’Efficacité Energétique 2015 se focalise sur les secteurs de consommation qui ont un impact significatif sur la demande d’énergie. Il s’agit principalement du bâtiment du transport et de l’industrie. En particulier pour le bâtiment, le programme vise à encourager la mise en œuvre de pratiques et de technologies innovantes, autour de l’isolation thermique des constructions. Des mesures adéquates seront prévues au niveau de la phase de conception architecturale des logements. Il s’agit également de favoriser la pénétration massive des équipements et appareils performants sur le marché local, notamment les chauffe-eau solaires et les lampes économiques : l’objectif étant d’améliorer le confort intérieur des logements en utilisant moins d’énergie. La mise en place d’une industrie locale des isolants thermiques et des équipements et appareils performants (chauffe-eau solaires

; lampes économiques) constitue l’un des atouts pour le développement de l’efficacité énergétique dans ce secteur. Globalement, c'est plus de 30 millions de TEP qui seront économisées, d'ici 2030.

Concernant le programme national de développement des énergies renouvelables actualisé en 2016, il a connu une première phase consacrée à la réalisation de projets pilotes et de tests des différentes technologies disponibles, durant laquelle des éléments pertinents concernant les évolutions technologiques des filières considérées sont apparus sur la scène

10

énergétique et ont conduit à la révision de ce programme. Parmi ces éléments nouveaux, il convient de citer :

 Une meilleure connaissance du potentiel national en énergies renouvelables, notamment pour le solaire et l'éolien, suite aux études engagées ;

 La baisse des coûts des filières photovoltaïque et éolienne qui s’affirment de plus en plus sur le marché pour constituer des filières viables à considérer ;

 Les coûts encore élevés de la filière CSP (solaire thermique) induisant une croissance très lente du développement de ce marché à travers le monde ;

 Le parachèvement d’une réglementation nationale cohérente et attractive en direction des investisseurs.

La révision de ce programme porte ainsi, sur le développement du photovoltaïque et de l’éolien à grande échelle, sur l’introduction des filières de la biomasse (valorisation des déchets), de la cogénération et de la géothermie, et également sur le report, à 2021, du développement du solaire thermique (CSP). La consistance du programme en énergie renouvelables à réaliser pour les besoins du marché national sur la période 2015-2030 est de 22 000 MW, dont plus de 4500 MW seront réalisés d’ici 2020.

La réalisation du programme permettra d’atteindre à l’horizon 2030 une part de renouvelables de près de 27% dans le bilan national de production d’électricité. Le volume de gaz naturel épargné par les 22 000 MW en renouvelables, atteindra environ 300 milliards de m3, soit un volume équivalant à 8 fois la consommation nationale de l’année 2014. Conformément à la règlementation en vigueur, la réalisation du programme est ouverte aux investisseurs du secteur public et privé nationaux et étrangers. La mise en œuvre de ce programme bénéficie de l’apport substantiel et multiforme de l’Etat qui intervient notamment à travers le Fonds National des Energies Renouvelables et Cogénération (FNERC), alimenté par un prélèvement de 1% de la redevance pétrolière.

1.4. Isolation thermique des bâtiments en Algérie

1.4.1. Introduction

L’Algérie comme les pays du Maghreb se caractérise par un climat humide et tempéré dans la partie ouest et méditerranéen dans la partie nord. Ce climat se transforme en aride à semi-aride avec un climat saharien dans la partie sud. Dans ce contexte climatique, il est tout à fait possible d’obtenir un meilleur confort thermique dans les logements tout en réalisant des économies de l’énergie de chauffage et de refroidissement. Il suffit, pour cela, d’appliquer un certain nombre de mesures, visant à améliorer la qualité thermique et énergétique de la construction.

Pour limiter la consommation d’énergie et augmenter le confort thermique d’une habitation, de nombreux critères sont à prendre en compte. C’est à l’étape du projet qu’un maximum de mesures efficaces peut être pris. Parmi ces mesures, l’isolation thermique des parois extérieurs étant la plus pertinente et constitue la base de toute action visant à réduire la consommation énergétique d’un logement.

En effet, l’isolation permet :

11

 Pour le consommateur : de réduire considérablement sa facture énergétique tout en améliorant le confort ;

 Pour les gouvernements : de réduire la facture énergétique globale des pays ;

 Pour les organismes d’aide et de coopération internationale : une meilleure adaptation aux changements climatiques et réduire leur vulnérabilité.

1.4.2. Structure des parois des bâtiments en Algérie

Une habitation est composée de divers matériaux en contact avec un environnement plus ou moins froid ou chaud en fonction de la saison, de l’heure ou des conditions météorologiques.

Les transferts de chaleur et les échanges gazeux se produisent en permanence. Si l’environnement des habitations était constant et tempéré, la température intérieure pourrait être égale à la température extérieure. Comme tel n’est pas le cas, et pour satisfaire le confort des habitants, il convient de réguler les échanges thermiques, en tentant de rétablir des conditions idéales de confort. Pour ce faire, il est nécessaire de dépenser de l’énergie ou de contrôler les flux, notamment grâce à l’isolation.

L’habitat en dur, c’est à dire un habitat réalisé par des matériaux de construction tels que la pierre, la brique et le béton, représente la nature des constructions au Maghreb. Les toitures se composent d’un système en poutrelles et hourdis. Les murs se composent d’une ossature en poteaux-poutres avec un remplissage de brique ou de parpaings. La proportion de murs réalisés à l’aide d’autres matériaux tels que le pisé ou la pierre diminue d’année en année jusqu’à devenir presque inexistante.

Traditionnellement les murs sont construits en pierre naturelle, en brique ou en terre selon les matériaux disponibles localement. Dans les constructions modernes, on utilise une ossature en béton armé avec remplissage de blocs creux de terre cuite ou de béton. Cette conception est la plus utilisée. Le mur extérieur peut être disposé soit en simple cloison soit en double cloison. La plupart des bâtiments d’habitation étant construits en double-cloison. Dans la majorité des cas, les toits sont de conception plate. Traditionnellement ; ils étaient construits avec des poutrelles en bois sur lesquelles on apportait des panneaux en bois ou un tapis de joncs.

On met ensuite en place une boue d’argile ou de terre damée puis d’un badigeon. Dans les constructions modernes, les toits plats et les planchers sont réalisés à l’aide d’une ossature de poutrelles préfabriquées ou coulés sur place sur lesquelles repose un hourdis ; en béton granulé ou en céramique et sur lesquels on coule une chape de béton.

 L’isolation des toitures

En Algérie, les toitures sont généralement composées de blocs creux, surmontés d’une chape de béton. Dans les corps creux, on peut avoir des blocs en béton de granulats lourds, ou encore des blocs creux de terre cuite.

L’isolation des toitures est une intervention prioritaire, en effet :

 La toiture terrasse est la partie la plus exposée d’un logement aux conditions climatiques.

12

 La température de l’air au plafond est plus élevée qu‘au sol (l‘air chaud monte). Or, la quantité de chaleur qui traverse une paroi est d‘autant plus importante que la différence entre les températures de chaque côté de cette paroi est grande.

 L’isolation des toitures est facile à réaliser.

 L’isolation des toitures est très rentable

Cette isolation nécessite cependant des précautions particulières pour éviter des dégradations importantes (défauts d’étanchéité, condensations internes, etc.).

 Les avantages de l’isolation thermique de la toiture L’isolation thermique d’une toiture offre plusieurs avantages :

Diminuer la consommation énergétique du bâtiment :L’économie réalisée par rapport à une toiture non isolée dépend de l’épaisseur et du type d’isolant. Cette économie a un impact important sur les consommations globales du bâtiment étant donnée l’importance de la contribution de la toiture à l’ensemble des déperditions calorifiques des parois.

Améliorer le confort des occupants : En hiver, la température du plafond sous toiture se voit augmentée grâce à l’isolation. Ceci a un impact immédiat sur le confort des occupants par la suppression de l’effet de rayonnement vers le plafond froid. En été, l’isolation protège les locaux sous toiture des surchauffes provoquées par l’ensoleillement de la toiture.

Diminuer les risques de condensation : L’augmentation de la température intérieure de surface diminue les risques de condensation au niveau des plafonds des locaux sous toiture.

Protéger la structure du toit : L’isolation peut diminuer les influences des variations des températures journalières et saisonnières sur la complexe toiture.

Les procédés d’isolation des toitures terrasses : Plusieurs solutions techniques sont possibles en fonction de différents critères comme la nature du bâtiment (nouvelle construction ou rénovation), le type d’isolant à mettre en œuvre, la pente, ou la destination de la terrasse, qui peut être inaccessible, accessible, végétalisée, etc.

 L’isolation des murs extérieurs

Avant d’isoler un mur extérieur, il est primordial de s’assurer qu’il est sain et ne présente pas de traces de remontées capillaires ou d’infiltrations extérieures d’humidité. En cas de dégradations dus à l’humidité, le pouvoir isolant des matériaux sera dégradé. Le traitement préalable des zones humides est indispensable avant tous travaux d’isolation.

L’isolation des parois verticales peut s’effectuer de différentes manières. La plus répandue en Algérie est la technique du double mur (double-cloisons), l’isolant étant installé dans le vide d’air emprisonné par la cloison extérieure et intérieure. Cette technique est très intéressante si l’on considère ses performances thermiques aussi bien en termes de conductivité qu’en termes d’inertie. Le coût du procédé est assez élevé.

L’isolation par l’extérieur ou ITE (isolation thermique extérieure) constitue la solution la plus efficace, mais sa mise en œuvre, est délicate, exige une maîtrise technique plus avancée. Le

13

coût est aussi un frein pour le développement de cette technique au Maghreb. Cette technique convient parfaitement à un projet de rénovation énergétique d’un bâtiment existant.

L’isolation par l’intérieur ou ITI est très peu utilisée dans le Maghreb. Ceci étant lié au mode de vie de ménages ainsi qu’aux pratiques courantes de nettoyage (à l’eau) et de peinture. Elle présente aussi d’autres inconvénients tels que les ponts thermiques et les risques de condensation interne. Un autre inconvénient majeur est que l’isolation par l’intérieur annule les effets de l’inertie thermique initiale du mur.

L’isolation répartie (par l’utilisation de blocs de thermo-pierre ou des briques alvéolaires dites mono-mur) est un type de construction utilisant des éléments constructifs isolants. Cette technique n’est pas difficile à apprendre, mais qui diffère radicalement de la maçonnerie traditionnelle. Chacune des solutions présente des avantages et des inconvénients.

1.4.3 Qualité des isolants thermiques

La conductivité thermique n’est pas la seule propriété à prendre en compte dans le choix d‘un isolant. Les caractéristiques suivantes sont au moins aussi importantes, et peuvent être primordiales suivant les applications :

 Résistance au feu

 Résistance mécanique (traction et compression) ;

 Étanchéité à l‘air ;

 Résistance à la diffusion de vapeur d‘eau ;

 Faible absorption d‘eau par immersion, par flottaison et par diffusion ;

 Stabilité dimensionnelle et comportement à la chaleur ;

 Qualités acoustiques ;

 Prix.

A. Résistance au feu

Pour des raisons de sécurité évidentes, il est interdit d‘utiliser des matériaux de construction facilement inflammables. Les isolants sont testés et répertoriés dans des classes définies par une norme européenne harmonisée. Cette norme définit sept classes de produits selon leur degré d’inflammabilité et de combustion. A titre d’information, ci-dessous la description de certaines classes :

A1-A2 : Contribution au feu nulle ou très faible B, C, D, E : Contribution au feu faible à importante

F : Pas d’exigence particulière ou réaction au feu indéterminée B. Résistance mécanique

L‘isolation des dalles, des planchers, ou des ouvrages souterrains nécessite des matériaux qui résistent à la compression. La résistance des isolants à la compression est mesurée par la contrainte nécessaire pour diminuer l‘épaisseur d‘un échantillon de 10%. Cette contrainte s‘exprime en milliers de Pascals [kPa]. La résistance à la compression doit être d‘au moins 110

14

kPa pour l‘utilisation en toiture plate (non-accessible). Certains isolants comme la thermo- pierre ou les bétons isolants sont peu élastiques et ne se compriment pas autant. On utilise alors la contrainte à la rupture. L‘isolation extérieure nécessite un isolant qui résiste dans une certaine mesure à la traction, de manière que les couches d‘isolant ne se séparent pas sous l‘effet du vent. La résistance à la traction est donc mesurée dans le sens de l‘épaisseur des panneaux.

C. Etanchéité à l‘air

L‘étanchéité à l‘air n‘est pas, en principe, attendue d‘un matériau isolant, car cette fonction doit généralement être remplie par une autre couche de l‘enveloppe, à savoir la structure porteuse de la paroi (béton, maçonnerie), une feuille d‘étanchéité ou un revêtement intérieur (enduit par exemple). Même si le matériau isolant est étanche à l‘air, les joints entre les panneaux sont perméables à l‘air, à moins d‘être jointoyés par un produit spécifié par le fournisseur.

D. Résistance à la diffusion de vapeur d‘eau

La vapeur d‘eau diffuse au travers des matériaux, surtout s‘ils sont poreux, et tend à se condenser dans les zones froides, donc notamment du côté froid de la couche isolante. Pour limiter les risques de dégâts dus à la condensation, on peut réduire le flux de vapeur d‘eau en plaçant des matériaux qui offrent une forte résistance à la diffusion de vapeur d‘eau.

E. Absorption d‘eau

Un matériau humide perd son pouvoir isolant. Les isolants en contact avec de l‘eau (en toiture inversée) ne doivent donc pas absorber d‘eau. Le pouvoir absorbant des matériaux isolants est mesuré soit par immersion d‘échantillons dans l‘eau, par flottation d‘échantillons sur un bac d‘eau ou enfin par diffusion de vapeur d‘eau dans un gradient de température.

F. Stabilité dimensionnelle et résistance à la chaleur :

Les matériaux isolants utilisés en toiture plate doivent résister à long terme aux températures élevées (70 °C et plus) obtenues par grand soleil et à court terme aux températures encore plus élevées utilisées pour souder le complexe d‘étanchéité posé sur la couche isolante.

D‘autre part, ils ne doivent pas trop se déformer (dilater, rétrécir) sous l‘effet des variations de température ou d‘humidité.

G. Qualités acoustiques

Certains matériaux isolants sont utilisés soit pour atténuer les bruits de chocs, soit pour absorber les bruits aériens. Dans le premier cas, ils doivent être mous tout en présentant une certaine résistance à la compression. Dans le second cas, ils doivent être perméables à l‘air tout en offrant une certaine résistance, ce qui permet d‘absorber les ondes acoustiques par frottement de l‘air contre les composants (fibres, parois de bulles ouvertes) du matériau.

1.4.4 Quelques matériaux isolants [10]

C. Laine de Roche

La laine de roche est un matériau naturel né de l’activité volcanique et du savoir-faire humain, utilisé dans le bâtiment comme isolant thermique, isolant acoustique ou absorbant acoustique, ou pour la protection contre l’incendie. La laine de roche est issue du basalte, une

15

roche volcanique noire présente dans de nombreuses régions du monde. Le procédé de fabrication de la laine de roche s’apparente à l’activité naturelle d’un volcan. La roche volcanique entre en fusion dans un four chauffé à 1500 °C. La roche en fusion est ensuite changée en fibres par l’action de roues tournant à grande vitesse. On ajoute un liant aux fibres et une huile d’imprégnation pour rendre le produit stable et hydrofuge, avant de le transformer en différents produits finis.

 Présentation du produit

- Panneau de laine de roche nu ; - Panneau rigide avec du bitume ; - en rouleau ;

- Rouleau revêtu d’un pare vapeur ; - En vrac (pour insufflation)

Tableau 1.1. Avantages et inconvénients de la laine de Roche.

Avantages Inconvénients

 Bon comportement thermique

 Bonne isolation acoustique

 Matériau incombustible et résistant au feu

 Bonne résistance à la compression (panneaux)

 Résistante au vieillissement et à la détérioration (longévité)

 Résistante aux micro-organismes et aux insectes

 Résistante aux substances chimiques

 Dégradation des performances thermiques en présence d’humidité à cause des défauts de mise en œuvre souvent négligés

 Tassement important à long terme en double cloisons à cause des défauts de mise en œuvre (fixations)

 Energie grise (150 kWh/ m³)

 Domaines d’application

Bâtiments tertiaires, résidentiels logement individuel ou collectif pour les toitures et les murs. Les panneaux de laine de roche nu ou avec un pare vapeur sont appliqués dans les murs en double cloisons.

D. Laine de Verre

La laine de verre est un matériau qui se présente comme un matelas de fibres de verre extrêmement fines. On l’utilise comme isolant thermique, isolant acoustique, absorbant acoustique et pour la protection contre l’incendie. La laine de verre est fabriquée à partir de silice et extrudée en de nombreuses fibres de fin diamètre. Tout comme la laine de roche, la laine de verre est totalement perméable à la vapeur d’eau.

 Présentation du produit

- Panneau de laine de verre nu.

16

- Panneau avec un côté recouvert de bitume.

- Panneau ou en rouleau avec un côté recouvert par du papier kraft.

- En vrac (pour insufflation)

Tableau 1.2. Avantages et inconvénients de la laine de verre.

Avantages Inconvénients

 Bon comportement thermique

 Bonne isolation acoustique

 Matériau peu combustible et résistant au feu

 Bonne résistance à la compression (panneaux)

 Résistante au vieillissement et à la détérioration (longévité)

 Résistante aux substances chimiques

 Dégradation des performances thermiques en présence d’humidité à cause des défauts de mise en œuvre souvent négligés

 Tassement important à long terme en double cloisons à cause des défauts de mise en œuvre (fixations)

 Energie grise (150 à 250 KWh/ m³)

 Domaines d’application

Bâtiments tertiaires, résidentiels logement individuel ou collectif pour les toitures et les murs. La laine de verre prend la forme de rouleaux, panneaux et flocons selon l’accessibilité des parties à isoler, de la configuration de l’habitation et le confort de l’isolation recherché. La laine de verre en rouleaux ou en panneaux à faible ou à moyenne densité est utilisée pour l’isolation des murs en double cloisons. La laine de verre en panneaux à forte densité est utilisée pour l’isolation des toitures.

E. Polyuréthane

Le polyuréthane (PUR) est obtenu par le mélange de trois composants, un polyol, un isio-cyanate et un agent d’expansion en présence de catalyseurs. Le polyuréthane se présente ainsi sous forme d’une structure alvéolaire renfermant un gaz encore plus isolant que l’air. Le polyuréthane est employé en panneaux pour des isolations sous chapes, sur terrasses ou pour l’isolation extérieure des murs. Il est aussi employé sous forme de mousse pour les doubles cloisons et pour servir de joints de calfeutrement.

 Présentation du produit

- Mousse préparée sur chantier pour doubles cloisons et toitures.

- Panneaux destinés aux toitures plates

Tableau 1.3. Avantages et inconvénients du polyuréthane.

Avantages Inconvénients

 Bon comportement thermique

 Bonne capacité d’isolation thermique

 Bonne résistance mécanique

 Bonne résistance à l’humidité

 Nécessite un matériel de protection lors de la mise en œuvre

 Résiste mal à la chaleur et au feu et au rayonnement ultraviolet

17

 Application rapide (mousse), même dans les endroits difficiles d’accès ou sur les surfaces irrégulières

 Domaines d’application

Tout type de bâtiments existants ou neufs et tout type de support, toitures, toitures- terrasses, doubles cloisons, planchers et sols. Par projection sur tout matériau, la mousse forme un cocon isolant et protecteur : isolation extérieure des bâtiments (toitures et façades) et isolation interne (murs et sols…) En toiture non régulière et toiture terrasse Par injection permettant de remplir intégralement toute les cavités : isolation des doubles cloisons.

F. Polystyrène

Le polystyrène est un matériau qui présente de hautes performances en matière d’isolation et de nombreux avantages aussi bien pour les utilisateurs que pour les professionnels de la construction. Le polystyrène expansé (PSE) est fabriqué au moyen d’hydrocarbure (Styrène) expansé à la vapeur d’eau et au pentane, présente donc une structure à pores ouverts Le polystyrène extrudé (XPS) est soumis à un agent gonflant sous pression qui lui confère une structure à pores fermés.

 Présentation du produit

- Expansée et extrudé en plaque ; - En vrac pour béton allégé ; - Panneaux composites ; - Éléments préfabriqués.

Tableau 1.4. Avantages et inconvénients du Polystyrène.

Avantages Inconvénients

 Excellentes propriétés mécaniques

 Sa facilité de mise en œuvre

 Bonne performance thermique

 Coût faible de ce matériau (PSE)

 Bonne performance thermique

 Bonne stabilité dimensionnelle (XPS)

 Imputrescible.

 Mauvaise stabilité dimensionnelle (PSE) à long terme

 Énergie grise importante (énergie nécessaire pour la production du matériau)

 Dégradation des caractéristiques en cas de longue exposition aux U.V (PSE)

 Ressource non renouvelable

 Non recyclable.