Etude expérimentale du béton de chanvre à base d’amidon
1
2
2
1
1
B.S.Umurigirwa , A.Gacoin , A.Li , C.Maalouf , T.H.Mai , 1 M.Rebay 1 2
GRESPI/Thermomécanique, Moulin de la Housse, 51687 Reims Cedex 2 GRESPI/ Génie Civil, Moulin de la Housse, 51687 Reims Cedex 2
RÉSUMÉ . Afin d’atteindre les objectifs fixées dans le cadre du protocole de Kyoto, nous
sommes appelés à contribuer au développement durable en répondant à nos besoins du présent sans compromettre compromettre l’avenir. L’utilisation de nouveaux produits et servic es « éco-
efficients » dans le secteur du bâtiment entre dans le cadre du développement durable. Dans ce contexte, l’utilisation des parois à fibres végétales est une solution permettant de réduire
les consommations énergétiques tout en utilisant des produits écologiques à faible énergie grise. Dans ce travail, nous développons un nouveau matériau végétal à base de fibres de chanvre et et d’un liant à base d’amidon d’amidon de blé. Pour optimiser la formulation du point de vue stabilité mécanique, des essais de compression, de traction et de flexion ont été effectués. Une étude préliminaire des propriétés thermique et acoustique a été également effectuée. Sustainable development has become a subject of major attention in developed and developing countries. To build sustainable and affordable housing for the future with vegetable vegeta ble materials ma terials will be an a n advantage ad vantage to create the links lin ks between agriculture and construction industries. In this work, we will study a mixture of hemp-starch made with hemp shives as natural fiber mixed with wheat starch to make a green composite. Mechanical properties were tested on different composition of binder/hemp ratios ratio s to optimize the formulation which can offer a mechanical stability of the envelope. Thermal and acoustic properties of the material were evaluated and compared comp ared to the lime hemp h emp concrete results to prove his performances. ABSTRACT.
MOTS-CLÉS :
béton de chanvre, propriétés mécaniques, conductivité thermique, coefficient d’absorption acoustique . KEY WORDS : hemp concrete, mechanical properties, thermal conductivity, sound absorption coefficient.
XXX e Rencontres AUGC-IBPSA Chambéry, Savoie, 6 au 8 juin 2012
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1. Introduction
Le domaine du bâtiment en France est responsable de 43% des consommations énergétiques et de 25% des émissions de gaz à effet de serre totales. L’application de la réglementation thermique 2012 aux bâtiments neufs, ne permettra pas seule, d’atteindre les objectifs fixés dans le cadre du protocole de Kyoto, à savoir diviser les émissions de gaz à effet de serre par 4 d’ici 2050. Dans ce contexte, nous devons contribuer au développement durable pour répondre aux besoins du présent sans compromettre l’avenir. Il semble donc intéressant de proposer un matériau de construction qui fasse le lien entre le domaine du bâtiment et les agro-ressources disponibles dans notre région. Cultivé en Champagne – Ardenne, le chanvre est une plante qui pousse dans les zones à climat tempéré, sans engrais, ni traitement, renommé pour la qualité de ses fibres. Les recherches effectuées jusqu’ici sur le béton de chanvre à base de liants minéraux (chaux ,ciment) [BRI09], [CER05], [ELF07], [LI06], [SED07] , [EVR09], ont permis de déterminer les propriétés physiques du matériau. La grande quantité d'air emprisonnée entre les particules fournit une faible conductivité thermique tandis que l’apparence de la surface poreuse confère au matériau une bonne absorption acoustique. Il est également considéré comme régulateur hygrothermique et assure le confort dans les locaux dont les parois sont conçues en béton de chanvre [TRA10]. Le béton de chanvre classique a des propriétés intéressantes mais l’utilisation d’un liant minéral (chaux ou ciment) nous expose à des problèmes environnementaux tels que l’épuisement des ressources naturelles (extraction du calcaire,..), rejet de CO 2 dans l’air (calcination du CaCO 3) d’où l’idée de concevoir un matériau à faible énergie grise et 100% végétal. Dans ce travail, l’étude porte sur un agro-composite à base de fibres de chanvre et d’un liant végétal à base d’amidon de blé. La formulation du liant optimal suivie d’une analyse du comportement mécanique, thermique et acoustique du matériau feront l’objet de cette étude. Les travaux sont effectués dans le cadre d’un projet CPER 2011-2014 en partenariat avec l’entreprise Bâtiment associé (Muizon 51) et l’entreprise Chamtor (Bazancourt 51). 2. Matériaux
Les fibres de chanvre, appelées chènevottes (dont la taille varie de 5 à 20 mm) sont choisies en tant que granulat végétal. Les fibres sont intégrées dans un liant végétal sous forme d’une colle à base d’amidon de blé dissout dans l’eau. L’amidon est un mélange de deux familles d’homopolymères liés par des liaisons glucosidiques : l’amylose et l’amylopectine. Le liant sert à maintenir les fibres ensemble, stabiliser la structure composite et assurer ainsi la transmission des forces de cisaillement entre les fibres. Le Tableau 1 suivant donne quelques propriétés des matériaux utilisées.
Etude expérimentale du béton de chanvre à base d’amidon.
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Tableau 1. Propriétés des matériaux utilisés Amidon Chènevotte
Masse vol. apparente (kg/m3) Masse vol. apparente (kg/m3) Largeur (mm) Résistance à la traction (MPa) Module d’élasticité (GPa)
565 126.6 1220% 900 [BEA90] 34 [BEA90]
3. Recherche du liant optimale
La difficulté dans la conception de notre agro-composite est souvent liée à l’existence d’une compétition d’eau entre les fibres et le liant se présente. Pour répondre à cela, le liant préparé à part , doit contenir autant d’amidon que possible et une teneur en eau adéquate pour former un liant optimal en évitant ainsi un mélange de chènevotte humide et de poudre d’amidon sèche. Pour avoir les proportions optimales d’eau et d’amidon dans le liant, les valeurs d’une part de la viscosité cinématique et d’autre part la tension superficielle du liant doivent être maximales, réciproquement pour que la teneur en amidon soit adéquate (pouvoir d’adhésion du liant) et pour que le liant ait le pouvoir de s’étaler sur les fibres. Différentes compositions de liants ont été étudiées en faisant varier le rapport A (masse d’amidon)/E (masse d’eau). Le rapport A/E augmente de 0 à 14 (x10 -2). Le Tableau 2 montre la viscosité cinématique et la tension de surface caractéristiques des liants étudiés. Tableau 2 : Etude de la formulation optimale du liant A/E. Masse Viscosité Tension volumique A : masse d’amidon et cinématique superficielle apparente 3 -3 E (10 Pa.s) (x10 N/m) : masse d’eau (kg.m-3) 0 997.0 1.0 69.8 3 1008.0 1.1 50.0 6 1023.0 2.4 51.0 10 1033.0 2.2 45.2 14 1043.0 1.8 45.1 En s’appuyant sur ces résultats, on a constaté que les compositions ayant une viscosité cinématique ≥ 2x10 -3 Pa.s et une tension superficielle ≥ 45x10 -3 N.m-1 ont le pouvoir de s’étaler sur les fibres et un pouvoir collant nécessaire pour permettre le rapprochement des fibres imbibés de liant. Ces deux critères sont vérifiés pour un rapport A/E équivalent à 6.10 -2, soit 60g d’amidon pour 1 litre d’eau. Rapport
A/ E (x10
-2
)
Dans la partie suivante de cette étude, le rapport A/E ( A/E =6.10-2) reste constant. En revanche, le rapport massique Liant/Chènevotte L/C sera variable afin de
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déterminer l’influence du taux de liant sur les caractéristiques mécaniques de l’agrocomposite. 4. Les propriétés mécaniques
Après avoir déterminé la composition optimale du liant, des échantillons normalisés aux dimensions 20x20x20 cm pour des essais de compression et 10x10x40 cm pour des essais de flexion quatre points sont réalisés. Cinq compositions sont étudiées en faisant varier le rapport massique L/C . L représente la quantité de liant et C celle de la chènevotte. Ce rapport augmente de la façon suivante : 2, 2.6, 3.3, 4.2, 5.2. Nos échantillons sont compactés sous une pression de 0.25MPa et séchées dans une chambre climatique stabilisée à 20°C et 50% d’humidité relative jusqu’à la stabilisation de leur masse entre 40 et 50 jours. La Figure 1 montre (a) une vue macroscopique d’un échantillon d’un agrocomposite L/C =3.3 (diam.=80mm) après séchage, (b) un grossissement x200 sur deux fibres végétales. Cette vue permet de visualiser le bon recouvrement des fibres de chènevottes par le liant à base d’amidon.
(a)
(b)
Figure 1: (a) Image macroscopique d’un échantillon (b) Gross. x200 chènevottes liées entre elles par l’intermédiaire d’un liant à base d’amidon de blé.
Des essais de compression et de flexion quatre points sont réalisés à vitesse constante : respectivement 0,1 mm.s -1 et 0,05 mm.s-1 sur une machine de traction Instron 8800 (Grove City, Etats-Unis). En raison du processus de fabrication, les fibres de chènevotte ont tendance à s’orienter dans des plans parallèles par rapport au plan de compactage. Les essais de compression et de flexion sont toujours effectués perpendiculairement aux orientations privilégiées des fibres. Ces essais permettent de déterminer pour toutes les compositions : le module d’Young, le coefficient et de Poisson le résistant à la traction par flexion. Le module d’Young est défini par la pente de la partie linéaire de la courbe de compression. La résistance à la traction est déterminée par la relation: =(3.F)/ (b.h), avec F : charge ( N ), b: épaisseur (100 mm) et h: hauteur (100mm). Le coefficient de Poisson est mesuré sur certains échantillons à l’aide des LVDT (transformateur différentiel variable linéaire) perpendiculaires à la direction de chargement.
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Etude expérimentale du béton de chanvre à base d’amidon.
Toutes les propriétés mécaniques mesurées telles que la masse volumique (Figure 2), le coefficient de Poisson (Figure 3), le module d’élasticité (Figure 4), la résistance à la traction par essai de flexion (Figure 5) augmentent en fonction du rapport L/C dans un intervalle de 2 ≤ L/C ≤ 5,2. Ces essais permettent l’obtention de lois de comportement caractéristiques des agro-composites étudiés, valables dans notre domaine d’étude (Equations [1-4]) =16.3
=
L C
+156.7
L
0,04
C
L
E=0.08
C
[1]
+ 0.09
[2]
+0.39
[3]
L
tf =0.014e
0,286
[4]
C
On constate que la masse volumique moyenne (Figure 2) augmente de 180 à 240 kg/ m3sous forme de l’équation [1]. Notons que la valeur moyenne d’un béton de chanvre chaux utilisé pour le remplissage des murs tend vers 330kg/m 3 et que la masse volumique de notre composite chanvre-amidon est plus élevée que la masse volumique des matériaux d’isolation classique. A l’origine de la courbe L/C =0, la masse volumique de la chènevotte égale à 160 kg/m 3 lorsqu’il est compacté sous pression de 0.25 MPa. Il est intéressant de noter que la compression de nos agrocomposites induit une augmentation continue de la contrainte jusqu’à l’obtention de grande déformation (>25%) en évitant une rupture brutale. Ce phénomène de compactage est similaire à celui observé dans certains matériaux très poreux sous compression ou contrainte d'indentation [BRI09], [TRA10]. Il n’est donc pas possible d’enregistrer une rupture par compression. 0,50
350
)
3 -
0,45
300
0,40
250
m . g k ( 200 . l o v 150 e s s 100 a M : 50
n o s s i o P e d . f e o C :
n
0
0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 0,00
0,00,61,21,82,43,03,64,24,85,46,0 L/C
0,00,61,21,82,43,03,64,24,85,46,0
L/C
Masses volumiques en Figure 3 Coefficient de Poisson en fonction du rapport L/C exprimé en fonction de L/C exprimé en masse. masse Figure
2
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1,20
0,12
) 1,00 a P 0,80 M ( g n 0,60 u o Y ' d 0,40 e l u d 0,20 o M : E 0,00
0,10
6
0,08
) 0,06 a P M 0,04 ( f t
0,02 0,00
0,00,61,21,82,43,03,64,24,85,46,0
0,00,61,21,82,43,03,64,24,85,46,0
L/C L/C Figure 4 Rigidités en fonction du Figure 5 Courbe typique de tf =( l) rapport L/C exprimé en masse pour un rapport L/C=2 exprimé en masse Le coefficient de Poisson (Figure 3) augmente en fonction du rapport L/C sous forme de l’équation [2]. Avec une teneur en liant faible, le matériau est beaucoup plus poreux et présente un comportement anisotrope avec n=0.2. Une teneur importante en liant diminue la porosité et le coefficient de Poisson tend vers 0.3. Le module de Young (Figure 4) augmente avec la teneur en liant de 0.5 à 0.9 MPa suivant l’équation [3]. Ces résultats sont de 5 à 10 fois plus petits par rapport aux résultats obtenus dans des bétons de chanvre/chaux. La différence réside principalement dans une densité beaucoup plus faible pour béton de chanvre/amidon, en raison de la forte teneur en chanvre. La Figure 5 montre la variation de contrainte en traction par flexion en fonction du rapport L/C . Cette variation n’est pas linéaire. La contrainte dépend fortement du rapport L/C . Les résultats expérimentaux permettent d’établir une équation empirique [4]. Dans notre cas, la composition ayant un rapport L/C =5.2 donne une meilleure résistance mais avec une grande dispersion dans les résultats due à la taille des pores, leur forme et l’agencement spatiale des fibres. Ce la implique que cette composition n’est pas viable pour l’utilisation i ndustrielle. La résistance maximale moyenne à la traction par flexion proche de 0.1 MPa est comparable aux valeurs observées dans la littérature pour les bétons chanvre/chaux. Toutefois, Une teneur importante en liant sature en eau l’agro-composite ce qui se traduit par un séchage trop lent du matériau et une dispersion des résultats significative. En effet, la grande sensibilité de la chènevotte à l’eau aura tendance à perturber l’adhérence entre les fibres et la matrice ainsi que le séchage du béton.
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Etude expérimentale du béton de chanvre à base d’amidon.
5. Les propriétés thermiques et acoustiques
La deuxième partie de ce travail est une étude préliminaire sur les compositions suivante : L/C =2, L/C =2.6 et L/C =3.3, dans le but de déterminer les caractéristiques thermiques telles que la conductivité thermique, la capacité calorifique, la diffusivité et l’effusivité thermique ainsi que le coefficient d’absorption acoustique pour la composition L/C =3.3. Les mesures de la conductivité thermique ont été faites par la méthode de la plaque chaude suivant les normes ISO 8301, DIN EN 13163 sur des échantillons séchés et comparées à celle du béton chanvre-chaux. Trois échantillons pour trois compositions (9 éprouvettes) ayant comme dimensions 20*20*3 cm sont testés. Le flux de chaleur traversant l’échantillon a été mesuré par un capteur de flux. On en déduit la conductivité thermique du matériau en passant par l’équation [5] de Fourrier.
k
N
[5]
V T .e
∆T est le gradient de la température, e: épaisseur de l’échantillon, N : facteur de calibrage qui lie le signal de tension du capteur au flux, k : conductivité thermique de l’échantillon et V: la tension du capteur proportionnelle à la densité du flux qui traverse l’échantillon. La capacité thermique est mesurée sur trois échantillons des trois compositions également avec un calorimètre bien isolé. Les résultats des mesures de conductivité thermique et de capacité thermique sont présentés dans le Tableau 3 et la Figure 6. L’inertie thermique est un facteur important pour évaluer le confort thermique. On l’évalue en fonction de la diffusivité et l’effusivité thermique de l’agro-composite qu’on montre dans le Tableau 3 et la Figure 7. Ces deux termes sont calculés en fonction de la conductivité thermique k, de la masse volumique et la capacité thermique ( Cp) du matériau par les équations [6] et [ 7]: a
k
[6]
C p
b k C p
[7]
Tableau 3: P ropriétés thermique de l’agro -composite en fonction du rapport L/C. Conductivi Rapport
L /C
(Rapport massique)
té thermique (10-2W.m-1.K 1
)
Capacité
Diffusivité
Effusivité
thermique
thermique
thermique
-1
-1
-7
-1
(J.kg .K )
(10 .m².s )
(W /m².K)
2
7.0
1692.3
2.7
135.9
2.6
7.7
854.9
5.5
103.5
3.3
8.2
782.4
6.4
102.4
11.0
1000.0
1.5
269.8
Béton Chaux chanvre
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0,10
) 1 K . 1 m . W ( . m r e h t . c u d n o C
2000
0,09
1800
0,08
1600
0,07
1400
0,06
1200
0,05
1000
0,04
80 0
0,03 0,02 0,01
600 Condu c. therm.
400
Therm al capacity 200
0,00
) 1 K . 1 g k . J ( . m r e h t é t i c a p a C
0 1 ,0 1 ,5 2 ,0 2 ,5 3 ,0 3 ,5 4 ,0
L/C Figure 6 Conductivité et capacité thermique du composite en fonction du rapport L/C
8
10
) 9 s . ² 8 m . 7 0 7 1 ( . 6 m 5 r e h t 4 é t i 3 v i s 2 u f f i 1 D
300
Diffus ivité therm.
1 -
270 240
Effu sivité therm.
21 0 18 0 15 0 12 0 90 60 30
0
) K . ² m / W ( . m r e h t é t i v i s u f f E
0 1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
L/C Figure 7 Diffusivité et effusivité thermique du composite en fonction du rapport L/C.
Le Tableau 3, montre la valeur de la conductivité thermique du béton de chanvrechaux égale à 0,11 W. m -1. K -1. Cette valeur est supérieure à celles de l’agrocomposite chanvre-amidon, d’où l’agro-composite étudié est un bon isolant thermique par rapport au béton chanvre-chaux. La Figure 6 montre que la conductivité thermique de l’agro-matériau augmente avec le rapport L/C . La capacité thermique (Tableau 3) mesurée pour les trois compositions dont le rapport de 2 ≤ L/C ≤ 3,3 varie de 1690 à 780 J.kg -1. K -1. Notons que l'augmentation du liant conduit à une diminution la capacité thermique. Les formules [6] et [7] permettent de calculer la diffusivité et l’effusivité du matériau, soit la capacité du matériau à emmagasiner ou restituer la chaleur. D’après la Figure 7, la diffusivité de notre béton chanvre-amidon augmente avec le taux du liant. Notons que plus la valeur de diffusivité thermique est faible, plus le flux de chaleur met du temps à traverser l’épaisseur du matériau. L’effusivité (Figure 7) de notre béton diminue avec la quantité de liant. Plus l’effusivité est élevée, plus le matériau absorbe de l’énergie sans se réchauffer. Le coefficient d’absorption acoustique représente la capacité du matériau à absorber l’énergie d’une onde sonore. Ce chiffre varie de 0 à 1. Plus il est proche de 1, plus le matériau est absorbant. La mesure du coefficient d’absorption acoustique est réalisée selon la norme DIN EN ISO 3382. Les trois échantillons de dimension 0.5x0.68x3.5cm dont le rapport L/C =3.3 sont placés dans une chambre de réverbération. Le coefficient d’absorption acoustique de l’agro-composite mesuré est comparé à celui du béton chanvre-chaux sur la Figure 8.
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Etude expérimentale du béton de chanvre à base d’amidon.
1,0
n o i t p r o s b a d t n e i c i f f e o C ’
0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 0 0 1
0 1 6
0 5 2
0 0 4
0 3 6
0 0 0 1
0 0 1 6
0 0 5 2
0 0 0 4
Fréquence (Hz)
Figure 8 Le coefficient d’absorption acoustique e n fonction de la fréquence .
D’après la Figure 8, on remarque que le coefficient d’absorption acoustique augmente fortement quand la fréquence varie de 100 à 250 HZ. Pour des fréquences comprises entre 630 et 5000 HZ, le coef ficient d’absorption acoustique tend vers une valeur asymptotique entre 0.86 et 0.91. Dans cet intervalle, le béton de chanvreamidon est plus performant que le béton de chanvre-chaux du fait que la quantité de chènevotte contenue dans nos matériaux. 6. Conclusion
Les caractéristiques mécaniques des matériaux composites sont directement liées aux dosages en liant . Pour le liant de notre agro-matériau, nous proposons le rapport A/E =6.10-2 soit 60g d’amidon pour 1 litre d’eau afin d’obtenir une viscosité dynamique et une tension superficielle adéquate, respectivement 2x10 -3 Pa.s et 45x10-3 N.m-1 ainsi que le recouvrement optimale des fibres. Pour le mélange Liant+Chènevotte, nous proposons un rapport L/C =4.2 soit 0.24kg de chènevotte pour un 1kg de liant. Cette composition permet les performances mécaniques suivantes : Masse vol.= 225 kg .m -3, Module d’Young= 0.77 MPa, Coefficient de Poisson= 0.28, Résistance à traction= 0.056 MPa et une dispersion des résultats satisfaisante. Pour améliorer les propretés mécanique, l'adhérence entre le liant et le chanvre ainsi que l’ l'absorption excessive d'eau par la chènevotte doivent être étudiés en vue de diminuer le temps de séchage ainsi que la présence moisissures dans les compositions dont la quantité du liant est élevée. La solution efficace pour surmonter ces inconvénients est la modification de la structure chimique d e l’amidon par greffe de polymère ou bien ajout d’un polymère plastifiant tel que le glycérol [DUA07]. Dans les perspectives de ce travail, le glycérol sera ajouté comme un plastifiant
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biodégradable pour éviter le phénomène de rétrogradation de l’amidon qui cause les moisissures et assurer ainsi la rigidité et la durabilité du matériau. Les propriétés thermiques des bétons de chanvre ainsi que celles du composite chanvre-amidon sont efficace pour être utilisées dans les régions à climat froid. Leur inertie thermique est faible et pourrait causer des problèmes de surchauffe à l’intérieur du bâtiment [TRA10] durant les périodes chaudes. Les résultats de l’essai d’absorption acoustique montrent que, le béton de chanvre absorbe le son à haute fréquence d’une façon excellente. Ceci prouve que le béton de chanvre d'amidon est un matériau adéquat pour l'isolation acoustique, qui peut être incorporé dans la fabrication de mur insonorisé. Le béton de chanvre-amidon étudié peut répondre aux besoins des pr ofessionnels de l'industrie du bâtiment et être en conformité avec la notion de développement durable. Il peut être utilisé comme un matériau de remplissage 100% végétal. Bibliographie. [BEA90] J. BEAUDOIN. Handbook of fiber-reinforced concrete: principles properties, developments and applications. Park Ridge, NJ: Noyes Publications, 1990 [BRI09] P. BRIGITTE D B, K.H. JEPPSSON, K. SANDIN, C. NILSON.Mechanical properties of lime-hemp concrete containing shives and fibres. Biosystems Engineering 103 (4) (2009) 474-479.
[CER05] V. CEREZO (2005), Propriétés mécaniques, thermiques et acoustiques d’un matériau à base de particules végétales : approche expérimentale et modélisation théorique, Thèse de Doctorat, INSA & ENTPE de Lyon, 242 p. [DUA07] J. DUANMU, E.K. GAMSTEDT, F. TANCRET, A. ROSLING, Hygromechanical properties of composites of cross-linked allylglycidyl-ether modified starch reinforced by wood fibres, Composites science and technology , 67(2007)3090-3097. [ELF07] S. ELFORDY, F. LUCAS, F. TANCRET, Y. SCUDELLER, L. GOUDET (2007), Mechanical thermal properties of lime and hemp concrete (« hempcrete ») manufactured by a projection process, Construction and Building Materials , (Article in press). [EVR09] A. EVRARD. Transient hygrothermal behaviour of lime-hemp materials.Thèse de Doctorat, Ecole Polytechnique de Louvain Unité d’Architecture, 2008. [LI06] Z. LI, X. WANG, (2006), Properties of hemp fibre reinforced concrete composites, Composites Part A: Applied Science and Manufacturing , vol. 37, p. 497-505 [SED07] D.SEDAN (2007), Etude des interactions physico-chimiques aux interfaces fibres de chanvre / ciment .Influence sur les propriétés mécanique du composite Thèse de Doctorat, Université de Limoges, 2007. [TRA10] A.D.TRAN. LE (2010), Etude des transferts hygrothermiques dans le béton de chanvre et leur application au bâtiment Thèse de Doctorat, URCA, 2010.
