Sujet de thèse IFSTTAR

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Fiche détaillée :

Titre : Comportement thermo-hydrique de mortiers cimentaires contenant des matériaux à changement de phase (MCP) biosourcés et/ou des fibres végétales de miscanthus : Etudes aux échelles du matériau et de la paroi

Laboratoire principal - Référent principal Navier  -  BENZARTI Karim      tél. : +33 181668251

Directeur du laboratoire principal SULEM Jean  -

Spécialité de la thèse Matériaux et Structures

Axe 2 - COP2017 - Améliorer l'efficience et la résilience des infrastructures

Site principal Marne-la-Vallée

Etablissement d'inscription UNIVERSITE PARIS-EST

Ecole doctorale SCIENCES, INGENIERIE ET ENVIRONNEMENT (SIE)

Directeur de thèse prévu BENZARTI Karim  -  Université Gustave Eiffel  -  Navier

Type de financement prévu Contrat doctoral  - Ifsttar

Résumé

Ce travail de thèse s’inscrit dans le contexte général de l’amélioration des performances thermo-hydriques des matériaux d’enveloppe dans le bâtiment, en vue de réduire la consommation d’énergie et d’optimiser le confort des occupants. Il propose en particulier de comparer le comportement thermo-hydrique de trois solutions différentes aux échelles du matériau et de la paroi : des mortiers cimentaires incorporant soit des matériaux à changement de phase (MCP) microencapsulés d’origine biosourcée, soit des fibres végétales de miscanthus micronisées, soit une combinaison de ces deux types d’inclusions. Cette dernière solution, qualifiée de mortier hybride, explore la possibilité de combiner les avantages des différents constituants pour obtenir un composite présentant à la fois des propriétés d’isolant thermique, une capacité de stockage passive d’énergie par chaleur latente, et une capacité de régulation d’humidité (hygroscopicité).
A l’échelle du matériau, une première étape a consisté à définir des protocoles de formulation adaptés aux différentes solutions de mortiers considérées et permettant de compenser la perte d’ouvrabilité liée à l’introduction des inclusions. Un programme complet de caractérisation microstructurale, mécanique et thermo-hydrique a ensuite été appliqué de manière systématique aux formulations de mortiers contenant des teneurs variables en MCP et/ou en fibres végétales, après 28 jours de durcissement. Il ressort globalement que le mortier avec MCP et le composite hybride présentent des propriétés d’isolation thermique nettement supérieures à celle du mortier de référence, mais que leur hygroscopicité n’est pas significativement améliorée car la présence des MCP tend à restreindre les transferts hydriques au sein de ces matériaux. L’introduction des fibres de miscanthus conduit en revanche à une amélioration conjointe des performances thermiques et hygriques. Par ailleurs, quel que soit le type d’inclusion utilisé, une augmentation significative de la porosité et une chute importante des propriétés mécaniques du mortier sont observées par rapport à la référence. Pour chacune des solutions, une teneur « optimale » en inclusions offrant un compromis entre gains de propriétés thermo-hydriques et perte de résistance mécanique est alors sélectionnée pour l’investigation à l’échelle supérieure.
Pour les besoins de l’étude à l’échelle de la paroi, un dispositif bi-climatique spécifique a d’abord été conçu et développé au laboratoire, afin de pouvoir simuler différents scénarios climatiques. Des murs réalisés à partir des 3 solutions de mortiers précédemment sélectionnées, ont ensuite été instrumentés de capteurs et exposés à des sollicitations cycliques de température (entre 15°C et 40°C) et d’humidité relative (entre 33 et 55% HR). Les réponses thermiques de ces différentes parois ont été systématiquement comparées à celle du mur en mortier de référence, de manière à pouvoir quantifier les gains de performance associés à l’incorporation des inclusions. Pour la paroi contenant les MCP, un amortissement assez modeste de l’ordre de 1°C de la température est mesuré à différentes profondeurs pendant la phase de chauffage (lorsque la face extérieure est sollicitée à 40°C), comparé à la référence. Des simulations numériques menées à l’échelle du bâtiment et intégrant l’influence du changement de phase des MCP sur les transferts thermiques, prédisent néanmoins des gains énergétiques significatifs pour le chauffage hivernal (33%) et les besoins de climatisation (27-31%) sous différents climats. La paroi contenant les fibres de miscanthus conduit à un amortissement bien plus important de la variation de température au niveau de l’environnement intérieur pendant la
phase de chauffage, avec un écart de l’ordre de 4°C par rapport à la référence, et permet aussi d’amortir efficacement les variations d’humidité. Enfin, la paroi de mortier hybride démontre également des performances thermiques intéressantes, avec une atténuation de l’ordre de 4°C de la température ressentie sur la face intérieure pendant la phase de chauffe, comparé à la référence. Cependant, cette paroi de mortier hybride présente un effet limitant sur les transferts d'humidité, ce qui peut compromettre le confort intérieur.
En conclusion, le mortier incorporant les fibres de miscanthus seules semble donc fournir les meilleures performances thermo-hydrique et constitue une solution prometteuse pour une utilisation comme matériau d’enveloppe. De manière générale, les données expérimentales collectées dans le cadre de cette thèse aux échelles du matériau et de la paroi constituent une base précieuse pour des travaux de modélisation ultérieurs.

Mots-clefs: MCP, Béton, comportement Thermo-Hydrique, structure de bâtiment, mur, efficacité énergétique, modélisation, transfert de chaleur et de masse

Laboratoire principal - Référent principal	Navier - BENZARTI Karim tél. : +33 181668251
Directeur du laboratoire principal	SULEM Jean -
Spécialité de la thèse	Matériaux et Structures
Axe	2 - COP2017 - Améliorer l'efficience et la résilience des infrastructures
Site principal	Marne-la-Vallée
Etablissement d'inscription	UNIVERSITE PARIS-EST
Ecole doctorale	SCIENCES, INGENIERIE ET ENVIRONNEMENT (SIE)
Directeur de thèse prévu	BENZARTI Karim - Université Gustave Eiffel - Navier
Type de financement prévu	Contrat doctoral - Ifsttar
Résumé Ce travail de thèse s’inscrit dans le contexte général de l’amélioration des performances thermo-hydriques des matériaux d’enveloppe dans le bâtiment, en vue de réduire la consommation d’énergie et d’optimiser le confort des occupants. Il propose en particulier de comparer le comportement thermo-hydrique de trois solutions différentes aux échelles du matériau et de la paroi : des mortiers cimentaires incorporant soit des matériaux à changement de phase (MCP) microencapsulés d’origine biosourcée, soit des fibres végétales de miscanthus micronisées, soit une combinaison de ces deux types d’inclusions. Cette dernière solution, qualifiée de mortier hybride, explore la possibilité de combiner les avantages des différents constituants pour obtenir un composite présentant à la fois des propriétés d’isolant thermique, une capacité de stockage passive d’énergie par chaleur latente, et une capacité de régulation d’humidité (hygroscopicité). A l’échelle du matériau, une première étape a consisté à définir des protocoles de formulation adaptés aux différentes solutions de mortiers considérées et permettant de compenser la perte d’ouvrabilité liée à l’introduction des inclusions. Un programme complet de caractérisation microstructurale, mécanique et thermo-hydrique a ensuite été appliqué de manière systématique aux formulations de mortiers contenant des teneurs variables en MCP et/ou en fibres végétales, après 28 jours de durcissement. Il ressort globalement que le mortier avec MCP et le composite hybride présentent des propriétés d’isolation thermique nettement supérieures à celle du mortier de référence, mais que leur hygroscopicité n’est pas significativement améliorée car la présence des MCP tend à restreindre les transferts hydriques au sein de ces matériaux. L’introduction des fibres de miscanthus conduit en revanche à une amélioration conjointe des performances thermiques et hygriques. Par ailleurs, quel que soit le type d’inclusion utilisé, une augmentation significative de la porosité et une chute importante des propriétés mécaniques du mortier sont observées par rapport à la référence. Pour chacune des solutions, une teneur « optimale » en inclusions offrant un compromis entre gains de propriétés thermo-hydriques et perte de résistance mécanique est alors sélectionnée pour l’investigation à l’échelle supérieure. Pour les besoins de l’étude à l’échelle de la paroi, un dispositif bi-climatique spécifique a d’abord été conçu et développé au laboratoire, afin de pouvoir simuler différents scénarios climatiques. Des murs réalisés à partir des 3 solutions de mortiers précédemment sélectionnées, ont ensuite été instrumentés de capteurs et exposés à des sollicitations cycliques de température (entre 15°C et 40°C) et d’humidité relative (entre 33 et 55% HR). Les réponses thermiques de ces différentes parois ont été systématiquement comparées à celle du mur en mortier de référence, de manière à pouvoir quantifier les gains de performance associés à l’incorporation des inclusions. Pour la paroi contenant les MCP, un amortissement assez modeste de l’ordre de 1°C de la température est mesuré à différentes profondeurs pendant la phase de chauffage (lorsque la face extérieure est sollicitée à 40°C), comparé à la référence. Des simulations numériques menées à l’échelle du bâtiment et intégrant l’influence du changement de phase des MCP sur les transferts thermiques, prédisent néanmoins des gains énergétiques significatifs pour le chauffage hivernal (33%) et les besoins de climatisation (27-31%) sous différents climats. La paroi contenant les fibres de miscanthus conduit à un amortissement bien plus important de la variation de température au niveau de l’environnement intérieur pendant la phase de chauffage, avec un écart de l’ordre de 4°C par rapport à la référence, et permet aussi d’amortir efficacement les variations d’humidité. Enfin, la paroi de mortier hybride démontre également des performances thermiques intéressantes, avec une atténuation de l’ordre de 4°C de la température ressentie sur la face intérieure pendant la phase de chauffe, comparé à la référence. Cependant, cette paroi de mortier hybride présente un effet limitant sur les transferts d'humidité, ce qui peut compromettre le confort intérieur. En conclusion, le mortier incorporant les fibres de miscanthus seules semble donc fournir les meilleures performances thermo-hydrique et constitue une solution prometteuse pour une utilisation comme matériau d’enveloppe. De manière générale, les données expérimentales collectées dans le cadre de cette thèse aux échelles du matériau et de la paroi constituent une base précieuse pour des travaux de modélisation ultérieurs.
Mots-clefs:	MCP, Béton, comportement Thermo-Hydrique, structure de bâtiment, mur, efficacité énergétique, modélisation, transfert de chaleur et de masse

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