Dissertations / Theses on the topic 'Béton de chanvre'

Le béton de chanvre est aujourd'hui le matériau de construction agro-ressource le plus développé en Europe. Il se compose de chanvre et de liant minéral (chaux) mélangé à l'eau. Généralement, il est utilisé pour ses propriétés d'isolation thermique dans le bâtiment. La plupart des blocs de béton de chanvre qui ont été étudiés, présentent un comportement fragile et une très faible résistance mécanique. Les formulations sont généralement riches en liant et légèrement compactées. Jusqu'à présent, le béton de chanvre n'est pas considéré comme un matériau porteur. Il est principalement utilisé comme remplissage isolant, combiné avec des composants de structure en bois, béton ou maçonnerie. Une étude a testé d'autres formulations, avec des teneurs plus élevées en granulats grâce à un procédé de compactage, afin d'améliorer à la fois la rigidité et la résistance des mélanges durcis. Dans ces formulations, l’ajout des granulats de chanvre, plus légers et plus poreux que la chaux, abaisse de manière significative la conductivité thermique. Le présent travail est une étude expérimentale du comportement à la compression et au cisaillement du béton de chanvre, afin d’utiliser ce matériau bio-sourcé dans le contreventement des bâtiments à ossature bois, tout en maintenant de bonnes qualités d'isolation thermique dans le bâtiment. Deux formulations compactées, M1 et M4 ont été expérimentées, ainsi que des éprouvettes obtenues à partir de blocs de commerce Chanvribloc®. Deux séries d’essais ont été réalisées. La première est portée sur la compression uni-axiale dans chaque direction pour caractériser l'anisotropie mécanique du matériau. Cette anisotropie a été engendrée par le procédé de compactage. La deuxième série d’essais permet de caractériser le comportement de cisaillement des formulations étudiées. Dans cette étude, un dispositif spécial d’essai de cisaillement a été développé. Il permet de caractériser au cisaillement des éprouvettes sous différentes contraintes normales appliquées. Les champs de déformations des éprouvettes cisaillées ont été suivis par stéréo- corrélation d’images durant les essais. Les résultats expérimentaux de compression ont montré que ce matériau est anisotrope, même lorsqu'il est industriellement mis en place par vibrations. Le matériau a plus spécifiquement un comportement isotrope transverse. Le comportement dans le sens longitudinal est caractérisé par une ductilité très élevée, tandis que le comportement transversal est très fragile, avec un comportement très variable et instable. Les résultats expérimentaux en cisaillement montrent une ductilité élevée de ce matériau. Ce comportement est intéressant pour le contreventement et le comportement sous action sismique des bâtiments avec des murs constitués de béton de chanvre. Des modélisations et applications numériques à l’échelle structurelle d’un bâtiment à plusieurs étages ont été réalisées, pour illustrer l’utilisation des blocs de béton de chanvre en contreventement de bâtiments à ossature bois. Les formulations les plus compactées présentent un meilleur comportement sous actions sismiques modérées et moyennes, par rapport aux formulations les moins compactées à la mise en œuvre, tandis que les murs en Chanvribloc à l’état actuel, ne permettent pas de contreventer les bâtiments en zones sismiques modérés ou moyennes
Lime and hemp concrete (LHC) is nowadays the most developed bio-based aggregate building material in Europe. It consists of hemp shiv and mineral binder mixing with water. Generally, bio-based materials like LHC are used for their thermal insulation properties in building. Most blocks of Lime Hemp Concrete which have been studied, show a brittle behavior and a very low mechanical strength. The formulations are generally rich in binder and slightly compacted. Up to now, this material is then not considered as a load bearing material and is mainly used as filler insulation, combined with structure components made of wood, concrete or masonry. A study has tested other formulations, with higher contents of aggregates thanks to a compaction process, in order to improve both the rigidity and the strength of the hardened mixtures. In these formulations, shiv which has higher amount is definitely lighter and more porous than lime, which prevents a significant increase in thermal conductivity. The present work of my PhD is an experimental study of the compressive and shearing behavior of hemp concrete, in order to study the load-bearing capacity and bracing of this bio based material, while maintaining good qualities of thermal insulation in building. Two compacted formulations were tested M1 & M4, as well as samples obtained from trade-blocks Chanvribloc®. Two series of tests were performed. The first one is a uniaxial compression test in each direction for characterizing the mechanical anisotropy of the material. This anisotropy is induced by the compacting process. The second one permits to characterize the shearing behavior of the different mix-designs. In this study, an original shear device was developed, specifically designed for this kind of material, which allows shearing under controlled normal stress. An image processing performed was carried out, using a camera and ARAMIS image processing software during shear tests, to evaluate the fields of deformations and to study the behavior of the specimen during the shear test. The compressive experiments results have shown that this material is anisotropic, even when it is industrially molded by vibrations. The material has a transverse isotropic behavior. The behavior in the longitudinal direction is characterized by very high ductility, while the transverse behavior is very brittle, with a highly variable and unsteady behavior. The experimental results in shear show a high ductility of this material. These results are very promising, an interesting behavior of LHC walls in term of potential bracing. Numerical modeling and applications have been carried out to illustrate the use of hemp concrete blocks for bracing buildings. The formulation M4 exhibits a better behavior under moderate and average seismic actions, compared to the formulation M1, while the Chanvribloc walls in the present state do not allowthe buildings to be braced in moderate or medium seismic zones

Le béton de chanvre est aujourd'hui le matériau de construction agro-ressource le plus développé en Europe. Il se compose de chanvre et de liant minéral (chaux) mélangé à l'eau. Généralement, il est utilisé pour ses propriétés d'isolation thermique dans le bâtiment. La plupart des blocs de béton de chanvre qui ont été étudiés, présentent un comportement fragile et une très faible résistance mécanique. Les formulations sont généralement riches en liant et légèrement compactées. Jusqu'à présent, le béton de chanvre n'est pas considéré comme un matériau porteur. Il est principalement utilisé comme remplissage isolant, combiné avec des composants de structure en bois, béton ou maçonnerie. Une étude a testé d'autres formulations, avec des teneurs plus élevées en granulats grâce à un procédé de compactage, afin d'améliorer à la fois la rigidité et la résistance des mélanges durcis. Dans ces formulations, l’ajout des granulats de chanvre, plus légers et plus poreux que la chaux, abaisse de manière significative la conductivité thermique. Le présent travail est une étude expérimentale du comportement à la compression et au cisaillement du béton de chanvre, afin d’utiliser ce matériau bio-sourcé dans le contreventement des bâtiments à ossature bois, tout en maintenant de bonnes qualités d'isolation thermique dans le bâtiment. Deux formulations compactées, M1 et M4 ont été expérimentées, ainsi que des éprouvettes obtenues à partir de blocs de commerce Chanvribloc®. Deux séries d’essais ont été réalisées. La première est portée sur la compression uni-axiale dans chaque direction pour caractériser l'anisotropie mécanique du matériau. Cette anisotropie a été engendrée par le procédé de compactage. La deuxième série d’essais permet de caractériser le comportement de cisaillement des formulations étudiées. Dans cette étude, un dispositif spécial d’essai de cisaillement a été développé. Il permet de caractériser au cisaillement des éprouvettes sous différentes contraintes normales appliquées. Les champs de déformations des éprouvettes cisaillées ont été suivis par stéréo- corrélation d’images durant les essais. Les résultats expérimentaux de compression ont montré que ce matériau est anisotrope, même lorsqu'il est industriellement mis en place par vibrations. Le matériau a plus spécifiquement un comportement isotrope transverse. Le comportement dans le sens longitudinal est caractérisé par une ductilité très élevée, tandis que le comportement transversal est très fragile, avec un comportement très variable et instable. Les résultats expérimentaux en cisaillement montrent une ductilité élevée de ce matériau. Ce comportement est intéressant pour le contreventement et le comportement sous action sismique des bâtiments avec des murs constitués de béton de chanvre. Des modélisations et applications numériques à l’échelle structurelle d’un bâtiment à plusieurs étages ont été réalisées, pour illustrer l’utilisation des blocs de béton de chanvre en contreventement de bâtiments à ossature bois. Les formulations les plus compactées présentent un meilleur comportement sous actions sismiques modérées et moyennes, par rapport aux formulations les moins compactées à la mise en œuvre, tandis que les murs en Chanvribloc à l’état actuel, ne permettent pas de contreventer les bâtiments en zones sismiques modérés ou moyennes
Lime and hemp concrete (LHC) is nowadays the most developed bio-based aggregate building material in Europe. It consists of hemp shiv and mineral binder mixing with water. Generally, bio-based materials like LHC are used for their thermal insulation properties in building. Most blocks of Lime Hemp Concrete which have been studied, show a brittle behavior and a very low mechanical strength. The formulations are generally rich in binder and slightly compacted. Up to now, this material is then not considered as a load bearing material and is mainly used as filler insulation, combined with structure components made of wood, concrete or masonry. A study has tested other formulations, with higher contents of aggregates thanks to a compaction process, in order to improve both the rigidity and the strength of the hardened mixtures. In these formulations, shiv which has higher amount is definitely lighter and more porous than lime, which prevents a significant increase in thermal conductivity. The present work of my PhD is an experimental study of the compressive and shearing behavior of hemp concrete, in order to study the load-bearing capacity and bracing of this bio based material, while maintaining good qualities of thermal insulation in building. Two compacted formulations were tested M1 & M4, as well as samples obtained from trade-blocks Chanvribloc®. Two series of tests were performed. The first one is a uniaxial compression test in each direction for characterizing the mechanical anisotropy of the material. This anisotropy is induced by the compacting process. The second one permits to characterize the shearing behavior of the different mix-designs. In this study, an original shear device was developed, specifically designed for this kind of material, which allows shearing under controlled normal stress. An image processing performed was carried out, using a camera and ARAMIS image processing software during shear tests, to evaluate the fields of deformations and to study the behavior of the specimen during the shear test. The compressive experiments results have shown that this material is anisotropic, even when it is industrially molded by vibrations. The material has a transverse isotropic behavior. The behavior in the longitudinal direction is characterized by very high ductility, while the transverse behavior is very brittle, with a highly variable and unsteady behavior. The experimental results in shear show a high ductility of this material. These results are very promising, an interesting behavior of LHC walls in term of potential bracing. Numerical modeling and applications have been carried out to illustrate the use of hemp concrete blocks for bracing buildings. The formulation M4 exhibits a better behavior under moderate and average seismic actions, compared to the formulation M1, while the Chanvribloc walls in the present state do not allowthe buildings to be braced in moderate or medium seismic zones

Cette étude s'inscrit dans le cadre d'un projet visant à développer un matériau biosourcé satisfaisant aux critères du développement durable dans le domaine de la construction. L'objectif de cette étude est de développer un nouveau liant pouzzolanique et de caractériser le béton de chanvre fabriqué à partir de ce liant et de granulats végétaux (chènevotte). La chènevotte, qui correspond à la partie ligneuse extraite de la tige du chanvre, est un co-produit du processus d'extraction de la fibre de chanvre. Les propriétés physiques de la chènevotte, telles que la distribution granulométrique, l'absorption d'eau, la densité en vrac et la conductivité thermique ont été évaluées. Les formulations des nouveaux liants pouzzolaniques sont basées sur une combinaison de chaux hydraulique ou de chaux éteinte, de métakaolin flash et d'adjuvants. Les propriétés mécaniques et thermiques du béton de chanvre ont ensuite été testées. L'étude conclut que le nouveau liant pouzzolanique présente non seulement de bonnes performances mécaniques à jeune âge, mais peut aussi être considéré comme un éco-matériau. Le béton de chanvre utilisant la chènevotte et cette matrice pouzzolanique a aussi un potentiel considérable en tant qu'éco-matériau avec de nouvelles propriétés comme la réduction de l'absorption d'eau, l'amélioration des performances mécaniques et une bonne capacité d'isolation thermique
This study is part of a project aiming to develop biosourced material that satisfies sustainable development in the construction area. The object of the study is to develop a new pozzolanic binder and to characterize the hempcrete fabricated from this binder and plant aggregates (hemp shives). Hemp shives are the ligneous particles extracted from hemp stem as a co-product of the process of hemp fiber extraction. The physical properties of the hemp shives, such as particle size distribution, water absorption, bulk density and thermal conductivity are assessed. The formulations of the new pozzolanic binder are based on a mix of hydraulic or slaked lime, flash metakaolin and some admixtures. The mechanical and thermal properties of the hempcrete composite are then tested. The study concludes that the new pozzolanic binder not only presents high mechanical performance from an early age but can also be considered as an eco-material. The hempcrete made of hemp shives and pozzolanic matrix will also have considerable potential as an eco-material with the new properties achieved such as a reduction of water absorption, an improvement of mechanical performance and a good capacity of thermal insulation

Cette thèse a pour objectif de valoriser par une caractérisation multi-échelle, les bétons à base de chanvre, de lin et de colza, dont les cultures sont plutôt bien développées au niveau régional et national. De par leur composition, ces matériaux, à base de granulats végétaux associés à une matrice minérale, possèdent une forte sensibilité à l’humidité tout en conservant des performances thermiques intéressantes.Leurs propriétés sont en effet fortement liées à une porosité importante, qui leur confère une grande capacité à adsorber et restituer la vapeur d’eau contenue dans l’ambiance environnante ; cette spécificité vient s’interconnecter avec les échanges de chaleur d’une paroi ou d’un bâtiment. Il est donc indispensable de faire une analyse couplée des phénomènes de transferts thermiques et hygriques, non seulement pour déterminer les besoins en chauffage ou renouvellement d’air d’un local, mais aussi pour appréhender le confort des occupants et la durabilité de la construction.En s’appuyant sur de nombreux essais expérimentaux, les principales caractéristiques des matériaux mis en œuvre sont tout d’abord précisées. Est ensuite analysé plus particulièrement le comportement d’une paroi à l’échelle réelle, placée dans des conditions stationnaires ou variables d’humidité et/ou de température. Les propriétés des matériaux implémentées dans un modèle de simulation numérique (SPARK) permettent par ailleurs, et après validation expérimentale, une approche prédictive du comportement hygrothermique d’une paroi ou de l’enveloppe d’un bâtiment. A travers un modèle simplifié pour un local monozone, l’influence de l’inertie hygrique des matériaux sur le taux d’humidité relative de l’ambiance intérieure est mise en évidence
This thesis aims to enhance the use of bio-based materials such as concretes composed with hemp, flax or straw rapes, whose cultures are quite well developed at regional and national level. Due to their composition, these materials, plant-based aggregates associated with an inorganic matrix, have a high moisture sensitivity while retaining advantageous thermal performance.Their properties are indeed strongly associated with a high porosity, which gives them a great capacity to adsorb and release the water vapor contained in the surrounding atmosphere; this specificity comes interconnect with heat exchange of a wall or building. It is therefore essential to analyze the phenomena of coupled thermal and hygric transfers not only to determine the need for heating or for air exchanges, but also to apprehend occupant comfort and durability of construction.Built on many experimental trials, the main characteristics of the used materials are first specified. Then is specifically analyzed the behavior of a scaled wall, placed under stationary or variable conditions of humidity and / or temperature. Moreover, the properties of the materials provide, after implementation in a simulation model (SPARK) and experimental validation, a predictive approach of the hygrothermal behavior of a wall or a building envelope. Through a simplified model for a single zone room, is highlighted the influence of the hygric inertia of the materials on the relative humidity of the indoor atmosphere

Cette thèse a pour objectif de valoriser par une caractérisation multi-échelle, les bétons à base de chanvre, de lin et de colza, dont les cultures sont plutôt bien développées au niveau régional et national. De par leur composition, ces matériaux, à base de granulats végétaux associés à une matrice minérale, possèdent une forte sensibilité à l’humidité tout en conservant des performances thermiques intéressantes.Leurs propriétés sont en effet fortement liées à une porosité importante, qui leur confère une grande capacité à adsorber et restituer la vapeur d’eau contenue dans l’ambiance environnante ; cette spécificité vient s’interconnecter avec les échanges de chaleur d’une paroi ou d’un bâtiment. Il est donc indispensable de faire une analyse couplée des phénomènes de transferts thermiques et hygriques, non seulement pour déterminer les besoins en chauffage ou renouvellement d’air d’un local, mais aussi pour appréhender le confort des occupants et la durabilité de la construction.En s’appuyant sur de nombreux essais expérimentaux, les principales caractéristiques des matériaux mis en œuvre sont tout d’abord précisées. Est ensuite analysé plus particulièrement le comportement d’une paroi à l’échelle réelle, placée dans des conditions stationnaires ou variables d’humidité et/ou de température. Les propriétés des matériaux implémentées dans un modèle de simulation numérique (SPARK) permettent par ailleurs, et après validation expérimentale, une approche prédictive du comportement hygrothermique d’une paroi ou de l’enveloppe d’un bâtiment. A travers un modèle simplifié pour un local monozone, l’influence de l’inertie hygrique des matériaux sur le taux d’humidité relative de l’ambiance intérieure est mise en évidence
This thesis aims to enhance the use of bio-based materials such as concretes composed with hemp, flax or straw rapes, whose cultures are quite well developed at regional and national level. Due to their composition, these materials, plant-based aggregates associated with an inorganic matrix, have a high moisture sensitivity while retaining advantageous thermal performance.Their properties are indeed strongly associated with a high porosity, which gives them a great capacity to adsorb and release the water vapor contained in the surrounding atmosphere; this specificity comes interconnect with heat exchange of a wall or building. It is therefore essential to analyze the phenomena of coupled thermal and hygric transfers not only to determine the need for heating or for air exchanges, but also to apprehend occupant comfort and durability of construction.Built on many experimental trials, the main characteristics of the used materials are first specified. Then is specifically analyzed the behavior of a scaled wall, placed under stationary or variable conditions of humidity and / or temperature. Moreover, the properties of the materials provide, after implementation in a simulation model (SPARK) and experimental validation, a predictive approach of the hygrothermal behavior of a wall or a building envelope. Through a simplified model for a single zone room, is highlighted the influence of the hygric inertia of the materials on the relative humidity of the indoor atmosphere

Dans le cadre du développement durable, les nouvelles réglementations en matière d’isolation thermique dans le secteur du bâtiment, conduisent les chercheurs à la recherche de nouveaux matériaux pour constituer des systèmes économes en énergie tout en assurant le confort de l’habitat. Cette recherche s’est très vite dirigée vers l’utilisation de matériaux issus de la matière végétale. Parmi les nouveaux matériaux à base végétale, le chanvre est le plus utilisé dans la construction. Les recherches effectuées jusqu’à ce jour ont permis de déterminer les propriétés physiques de ce matériau. Ces valeurs ne reflètent que partiellement le confort ressenti dans les locaux dont les parois sont en béton de chanvre. L’objectif de cette thèse est d’étudier le comportement hygrothermique du béton de chanvre au niveau d’une paroi et à l’échelle d’un local. La première partie de cette thèse est consacrée à l’étude bibliographique liée aux intérêts d’utilisation du béton de chanvre puis sa performance est comparée aux autres matériaux du génie civil. Après avoir présenté le modèle des transferts hygrothermiques dans le bâtiment ainsi que l’environnement de simulation SPARK, adapté à la résolution des systèmes d’équations non linéaires, les simulations sont effectuées à l’échelle d’une paroi simple, d’une paroi multicouche et du bâtiment afin de valider les modèles par rapport à des résultats trouvés dans la littérature. La deuxième partie est consacrée à l’étude du comportement hygrothermique d’une paroi et d’un local en béton de chanvre sous des conditions climatiques statique et dynamique. Les résultats obtenus pour les conditions hivernales réelles ont montré que la combinaison de la ventilation hygroréglable avec la capacité de sorption des parois en béton de chanvre permet de réduire de 12% les besoins énergétiques par rapport à une ventilation classique. Enfin, la dernière partie est consacrée à l’étude préliminaire d’un nouveau matériau 100% végétal à base d’une matrice d’amidon de blé et de chènevotte. Sa performance hygrothermique dans le bâtiment est mise en évidence pour les conditions climatiques de Nancy
Within the framework of the sustainable development, new thermal regulations concerning thermal insulation in building sector, lead researchers to develop new materials in order to establish energy efficient systems which insure thermal comfort. Vegetal fibre materials are a good choice to respond to this demand and in particular hemp concrete which is more and more used in the construction. The researches done until this day allowed us to determine its physical properties but there are no works about its hygrothermal performance in building envelopes. Therefore, the objective of this thesis is to study transient hygrothermal behaviour of hemp concrete in buildings. The first part of this thesis is dedicated to the bibliographical studies concerning hemp concrete use and its physical properties. Besides, it is compared to other materials used in construction. After presenting the mathematical models for heat and mass transfer in buildings and their implementation in the simulation environment SPARK suited to non linear complex problems, simulations are used for simple layer walls, multilayered walls and on the whole building level. The second part is concentrated on the hygrothermal behaviour of hemp concrete walls and buildings under static and dynamic conditions. Our results suggest that due to its high moisture buffering capacity, coupling hemp concrete with relative humidity sensitive ventilation can achieve a reduction of 12% in energy consumption when compared to a classical ventilation system. Finally, the last part of this work presents a new 100% vegetal material made of hemp fibres within starch matrix. Its hygrothermal performance in buildings is shown for the climatic conditions of Nancy City

Le béton de chanvre est un matériau de construction biosourcé pouvant répondre aux problématiques environnementales actuelles. Utilisé comme matériau de remplissage avec une bonne capacité isolante, il possède également la capacité de réguler l'humidité relative intérieure. Son comportement hygrothermique complexe résulte notamment de performances thermiques et hydriques interdépendantes. La prédiction de ces effets est réalisée à l'aide de modélisation et simulation de transferts hygrothermiques. Toutefois, l'utilisation de données d'entrée les plus représentatives possibles de la réalité est nécessaire. Les méthodes de caractérisation courantes ont souvent été développées pour des matériaux conventionnels et peuvent montrer des limites dans le cas de matériaux biosourcés. L'objectif principal de ces travaux est de déterminer les propriétés hygrothermiques d'un bloc de béton de chanvre préfabriqués à l'échelle industrielle, de mieux appréhender cette caractérisation et de décrire son comportement hygrothermique via des simulations numériques. Le matériau étudié est formulé à partir d'un liant pouzzolanique et de granulats de chènevotte. Une partie de ce travail de thèse a donc porté sur la caractérisation des propriétés physiques, thermiques et hydriques du béton de chanvre étudié ainsi que sur les méthodes de mesure. Pour chaque paramètre hygrothermique étudié, plusieurs méthodes ont été confrontées afin d'en évaluer l'impact. Dans la mesure du possible, l'influence de la température et de l'humidité sur les différents paramètres a également été estimée. Un modèle de transferts hygrothermiques est proposé avec une évaluation d'ordre de grandeur dans le cas du béton de chanvre à partir des propriétés de la littérature. Ce modèle est appliqué à une étude expérimentale à l'échelle de la paroi, dans une enceinte bi-climatique, mettant en avant l'impact de la sorption et du changement de phase sur les transferts de chaleur. En ce qui concerne les propriétés thermiques, l'étude expérimentale à l'échelle du matériau met en évidence l'impact significatif du protocole expérimental sur le résultat de mesure, en particulier pour la chaleur massique. Pour les propriétés hydriques, les essais mettent en avant l'intérêt de réaliser une étude paramétrique de type round-robin sur les matériaux biosourcés. [...]
Hemp concrete is a bio-based construction material able to meet current sustainable issues. Used as filling and insulating material, it has the capacity to regulate the indoor relative humidity. Its complex hygrothermal behavior results on interdependent thermal and hydric performances. The prediction of the hygrothermal effect is performed through heat and moisture transfer modeling and simulation. However, the use of representative inputs is necessary. Standard characterization methods have often been developed for usual building material and can show some limitations in the case of bio-based material. The main objective of these works is to determine the hygrothermal properties of a precast hemp concrete produced at industrial scale, have a better understanding of this characterization and describe its hygrothermal behavior through numerical simulations. The studied material is based on pozzolanic binder and hemp aggregates. One part of this work deals with the characterization of the physical, thermal and hydric properties of the studied material and with the measurement methods. For each hygrothermal properties, several methods have been confronted. If possible, the temperature and humidity influences have been appraised. A heat and moisture transfer model is proposed with a scale analysis based on hemp concrete properties from the literature. This model has been applied to wall scale experiments highlighting the impact of sorption and phase change phenomena on the heat transfers. With regards to the thermal properties, the experimental study at material scale highlights the significant impact of the experimental protocol on the result of the measure, particularly for the specific heat capacity. For hydric properties, the studies put forward the interest of performing a parametric round-robin test dedicated to bio-based materials. An air permeability measurement protocol designed for regular concrete has been adapted in order to evaluate the performance of a very permeable material such as the hemp concrete. The numerical model is validated on a test from a standard and a test from the literature. It manages to describe test with usual ambient solicitations performed in the bi-climatic chamber

Le béton de chanvre constitue une solution constructive conforme aux objectifs en matière de développement durable.Sa morphologie structurelle, induite par l'association de fibres végétales poreuses à une matrice minérale grenue, se traduit par une forte porosité et une densité limitée. Le béton de chanvre présente ainsi des propriétés hygrothermiques très intéressantes : sa faible conductivité thermique lui confère de bonnes capacités d'isolation et sa forte perméabilité au transport d'eau favorise le transfert d'humidité.En outre, il est caractérisé par un comportement thermohydrique hystérétique gouverné en humidité et en température qui conditionne l'évolution de ses propriétés. L'objectif de ce travail est d'évaluer sa réponse hygrothermique auxsollicitations climatiques, enjeu majeur pour le développement de cette solution technologique face aux problématiques énergétiques et de confort dans le bâtiment. La difficulté d'évaluation de cette réponse réside dans la complexitédes phénomènes couplés des transferts de masse et de chaleur auxquels est soumise la paroi. Le transfert d'humidité au sein de parois poreuses est régi par le transport diffusif d'eau sous forme liquide et vapeur. Le transfert de chaleur dans les milieux poreux humides est dû à plusieurs mécanismes simultanés comme la conduction thermique ou le phénomène d'évaporation-condensation. Par ailleurs, dans le cadre de la physique du bâtiment, les surfaces externes sont notamment soumises au rayonnement solaire, à la pluie ou aux phénomènes de convection mixte, naturelle et forcée, dus à la température d'air ambiant et au vent ou aux systèmes de ventilation.Dans un premier temps, un modèle numérique de transferts hygrothermiques HAM (Heat, Air and Moisture) prenant en compte ces phénomènes a été développé. Afin d'alimenter ce modèle numérique, l'étude est par ailleurs focaliséesur la modélisation des propriétés thermiques et hydriques du matériau en s'appuyant sur les résultats de différents essais de caractérisation. Elle permet également d'appréhender l'effet d'une variation de la masse volumique du béton de chanvre sur ses propriétés. Les résultats du modèle sont alors confrontés aux mesures expérimentales réalisées sur une paroi en béton de chanvre placée dans une enceinte biclimatique dont les régulations suivent un programme choisi. Une analyse de sensibilité aux paramètres montre que le transfert thermo-hydrique est très influencé par le paramètreteneur en eau. La modélisation de l'effet hystérétique thermo dépendant qui conditionne la capacité de stockage hydrique et influe sur le transport de masse et de chaleur s'avère nécessaire pour bien appréhender le comportement du matériau. La prise en compte du phénomène d'hystérésis sur l'évolution de la teneur en eau produit ainsi des résultats de simulation pertinents en accord avec les réponses expérimentales obtenues sous sollicitations hydriques et thermiquescycliques.En outre, le travail est étendu à l'étude numérique de l'influence de la nature et de l'épaisseur d'une couche d'enduit apposée sur les surfaces externes de la paroi en béton de chanvre. Finalement, la notion de confort hygrothermique est discutée en configuration réelle d'utilisation sous sollicitations climatiques typiques annuelles.

Dans un contexte de réchauffement climatique et de fin programmée des énergies fossiles, le secteur du bâtiment vise à réduire de 38% sa consommation d’énergie et à atteindre 10% de matériaux bio-sourcés utilisés dans la construction à l’horizon 2020. Ainsi, le béton de chanvre peut jouer un rôle majeur grâce à son bilan environnemental et à ses propriétés hygrothermiques qui lui permettent d’assurer un rôle d’amortisseur thermique et de stabilisateur de confort. Or le comportement hygrothermique du béton de chanvre à l’échelle du bâtiment est peu abordé dans la littérature et jamais pour les bâtiments tertiaires. L’objectif principal de ce projet est de combler ce vide en étudiant et en optimisant les performances énergétiques d’un bâtiment en béton de chanvre destiné à usage de bureaux et/ou de salles d’enseignement. Afin d’assurer le confort thermique intérieur différentes solutions techniques seront couplées au bâtiment et comparées entre elles : - une ventilation double flux thermodynamique associant une pompe à chaleur à une centrale double flux. - Une ventilation simple flux associé à un puits canadien qui récupère la chaleur du sous-sol pour préchauffer l’air de ventilation en hiver ou le rafraîchir en été. - Une ventilation double flux associé à un puits canadien. Par le biais de la simulation numérique et de mesures faites d’abord à l’échelle des composants, il sera ainsi possible d’évaluer le potentiel de chaque composant sur l’énergétique et le confort hygrothermique de bâtiments tertiaires intégrant principalement le périmètre du projet Grand Campus de Reims mais également pouvant être élargi à la spécificité d’autres climats français
In a context of global warming and planned end of fossil fuels, the construction industry aims to reduce by 38% its energy consumption and to achieve 10% of bio-based materials used in construction in 2020. Thus, the hemp concrete can play a major role thanks to its positive environmental impact and its hygrothermal properties that allow it to ensure a role of heat damper and comfort stabilizer. Or hygrothermal behavior of hemp concrete throughout the building is little discussed in the literature and never for commercial buildings. The main objective of this project is to fill this gap by studying and optimizing the energy performance of a hemp concrete building designed for offices and / or classrooms. To ensure inside thermal comfort, different technical solutions will be coupled to the building and compared with each other: - A double flow thermodynamical ventilation combining a heat pump with a double flow central. - A simple flow ventilation associated to a pipe system which recovers heat from the basement to preheat ventilation air in winter and cool in the summer. - A double flow ventilation associated to a Canadian well. Through computer simulation and measurements made initially at the level of components, it will be possible to evaluate the potential of each component on the energy and hygrothermal comfort of commercial buildings mainly integrating the project boundary Grand Campus Reims but also can be extended to other French specificity climates

Le béton de chanvre est obtenu par le mélange d'un granulat végétal, constitué de bois de chanvre, et d'un liant. Il confère au mur de bonnes propriétés d'isolation thermique et acoustique, ainsi qu'une régulation de l'humidité. Cependant, des problèmes de non-prise, qui semblent fortement liés aux transferts d'eau dans le béton au cours des premières heures, peuvent parfois se produire. La RMN permet de quantifier l'eau dans le chanvre et dans le liant et donc de décrire et comprendre les transferts au cours de la prise. Nous montrons d'abord que, dans le liant constitué d'un mélange de chaux hydraté et de ciment, la chaux accélère la prise du ciment. Cette prise est d'autant plus inhibée que la quantité de chanvre au contact du ciment est importante. Nous montrons également que l'absorption d'eau par le granulat de chanvre s'étale sur trois jours, et qu'elle se produit en deux phases successives correspondant à l'imprégnation de deux zones du chanvre. L'étude des transferts dans le béton pendant la prise révèle une absorption d'eau rapide par le chanvre initialement, puis un transfert vers le liant. L'étude d'un béton de chanvre "modèle" nous permet d'associer ce transfert au retrait chimique du ciment au cours de la prise
Hemp concrete results from the mix of a vegetal aggregate (hemp shives) and a binder. It provides thermal and acoustic insulation to the wall, as well as a good moisture regulation. However, problems sometimes occur during setting, that seem strongly linked to transfers of water in the concrete in the first hours. NMR allows to quantify water in hemp and in the binder and thus to describe and understand the transfers during setting. We first show that, in the binder consisting of a mixture of hydrated lime and cement, lime accelerates cement hydration. This hydration is inhibited as the amount of hemp in contact with the cement increases. We also show that the absorption of water by hemp shives is takes place during three days, and it occurs in two successive phases corresponding to two areas of hemp that imbibe. The study of transfers in the concrete during the setting shows a rapid water absorption by the hemp initially, followed by a transfer to the binder. The study of a "model" hemp concrete allows us to associate this transfer to the chemical shrinkage of cement during hydration

Les bâtiments affectent fortement l'environnement à travers les consommations d'énergies et de ressources naturelles. Afin de limiter ces impacts, l'intégration de matériaux bio-sourcés dans la construction, tels que béton de chanvre, apparaît comme une solution pertinente. Les composites à base de chanvre présentent en outre un comportement hygrothermique spécifique conduisant à limiter les besoins énergétiques du bâtiment tout en assurant un bon niveau de confort ressenti. Ce type de matériau non porteur est utilisé en remplissage pourdifférentes applications (Mur, Dalle, Toit) et en enduit isolant. Cette thèse vient en appui du projet ANR " BetonChanvre " visant à optimiser la formulation de tels mélanges en liaison avec les process de fabrication des partenaires industriels et à caractériser les matériaux élaborés. Différents types de chanvre (fibré ou non, traité hydrofuge) et différents liants (chaux, sulfate de calcium) sont utilisés. Les formulations proposées dérivent de formulations de référence produites par les partenaires industriels. Les caractéristiques physiques des différents composites étudiés (masse volumique apparente, masse volumique réelle, porosités ouverte et totale) sont mesurées. Les propriétés hydriques sont quantifiées en régime permanent via la mesure des isothermes de sorption (adsorption/désorption) et de la perméabilité à la vapeur. Les isothermes de sorption sontmesurées selon la méthode discontinue par paliers successifs d'humidité relative croissante puis décroissante. La perméabilité à la vapeur est mesurée selon la méthode de la coupelle. Différents couples d'hygrométrie sont testés pour évaluer l'évolution de la perméabilité en fonction de la teneur en eau. La diffusivité hydrique est calculée à partir de la modélisation des isothermes de sorption et de la perméabilité à la vapeur. Enfinla caractérisation des performances mécaniques repose sur l'identification de la résistance à la compression, des modules de déformation (apparent et élastique) et de la contrainte résiduelle pour une déformation à 15%. L'impact du phénomène de vieillissement/carbonatation sur les caractéristiques hydriques et mécaniques est évalué sur des échantillons carbonatés en incubateur CO2. L'interprétation des résultats permet d'identifier différents principes de formulation en lien avec les performances hydriques et mécaniques finales ciblées pour le composite. Il en ressort que c'est l'association du liant avec le chanvre qui permet d'assurer des performances optimales. Toutefois, les optimum vis à vis des réponses hydrique et mécanique ne sont pas concordants.

La prise en compte de l'impact environnemental des constructions conduit à s'interroger sur des matériaux alternatifs de construction. Dans ce contexte, le béton de chanvre (mélange chaux/chanvre) présente de nombreux atouts. Malgré la forte demande actuelle, son utilisation et sa mise en oeuvre sont souvent artisanales et sa résistance mécanique demeure relativement faible. Dans le présent travail, l'utilisation du béton de chanvre est envisagée pour réaliser des éléments de construction préfabriqués ayant un rôle structurel ou porteur (briques ou blocs alvéolaires), tout en conservant de bonnes qualités d'isolation thermique. Cette étude s'articule autour de l'optimisation de la formulation et du procédé de mise en oeuvre par compactage à l'état frais qui améliore significativement la résistance mécanique du matériau produit. Il augmente notamment sa capacité de déformation avant rupture, tout en réduisant le dosage en liant. La structure poreuse devient anisotrope du fait de l'orientation préférentielle des particules et le volume d'air occlus, à l'origine d'une faible conductivité thermique, se trouve réduit. Les mesures montrent effectivement une légère augmentation de la conductivité thermique, qui est toutefois nettement inférieure au gain de résistance mécanique du matériau obtenu par le procédé de compactage appliqué. Ce dernier constitue donc une voie de développement pour l'utilisation de tels matériaux. Les résultats présentés, à travers un mode de mise en oeuvre donné, permettent d'approfondir les connaissances sur le béton de chanvre, qui possède encore probablement un grand potentiel d'amélioration en vue de son utilisation pour la construction.

Ce travail de thèse porte sur une étude expérimentale de l'effet de modification d'un liant préformulé à base de chaux (Tadical PF70) sur la durabilité du béton de chanvre, soumis à des cycles de vieillissement accéléré d'humidification/séchage, avec une approche multi-échelle (macro et mico). L'influence de la substitution partielle du liant, par le metakaolin, a été étudiée à travers le suivi de l'évolution des propriétés physico-mécaniques et thermo-hydriques du matériau, pour des conditions de vieillissement de 0, 15, 25 et 50 cycles d'humidification/séchage. Considéré comme un des facteurs critiques, qui contribue fortement à la détérioration des matériaux, une étude séparée du degré de dégradation des particules de chanvre incorporées dans la matrice, à différentes intervalles de cycles de vieillissement, a également été réalisée, par le suivi de l'évolution à la fois de leurs constituants lignocellulosiques et de leur degré de Cristallinité, à l'aide d'analyses microscopiques combinés (MEB/EDX/DRX) mais aussi thermiques (ATG/ATD). D'après les résultats, la réaction pouzzolanique de la Silice amorphe, contenue dans le métakaolin, avec l'Hydroxyde de Calcium dissout dans le liant semble minimiser significativement la dégradation du béton de chanvre. La réaction correspondante consomme de l'Hydroxyde de Calcium pour produire des Silicates de Calcium Hydratés (C-S-H). Cette réaction conduira à son tour à la diminution de l'alcalinité de la solution interstitielle, qui est considérée comme le principal responsable de l'hydrolyse des particules de chanvre. L'examen de la relation entre le degré de détérioration des particules de chanvre incorporées et la perte de propriétés mécaniques du béton de chanvre a montré que l'utilisation de metakaolin est un moyen efficace qui permet d'améliorer la durabilité des matériaux, principalement en limitant la dégradation des particules de chanvre. De plus, l'ajout du métakaolin modifie la distribution poromètrique dans les bétons de chanvre qui, par conséquent, améliore sa résistance aux cycles de vieillissement
This study reports the experimental investigation of a commercial formulated lime binder (Tadical PF70) modification effect on the durability of hemp concrete specimens when subjected to wetting and drying cycles, using multi-scale approach (micro and macro). The influence of partial replacement of Tradical PF70 binder by metakaolin has been studied by testing the physico-mechanical and hgro-thermal properties of specimen for aging conditions of 0, 15, 25, and 50 wetting/drying cycles. Considered as a critical factor which contributes to the specimen deterioration, a separate investigation of the degradation rate of the embedded hemp particles in the binder matrix at aging cycle intervals has been also performed. The analyses included their component changes, microstructure modifications, and variation of crystalline properties, characterized by means thermal (TGA/DTG) and microscopic (SEM/EDX/XRD) analyses. The results have shown that the pozzolanic reaction appears to significantly minimise the degradation of hemp concrete. The corresponding reaction consumes calcium hydroxide to produce hydrated calcium silicates and in turn will lead to the lowest alkalinity of pore solution which is considered as the main responsible for hemp particle hydrolysis. The examination of the relationship between embedded hemp particle deterioration degree and the mechanical properties-loss of hemp concrete has shown the effectiveness of metakaolin to improve the durability of hemp concrete

Le béton de chanvre est l'un des matériaux de construction biosourcés le plus en vogue en France. Il est souvent utilisé comme matériau de remplissage et/ou d'isolation, dans un système éco-constructif. Compte tenu de sa forte porosité, ce béton présente des performances thermiques et hygriques particulièrement intéressantes. Toutefois, alors que son niveau d'isolation thermique s'améliore lorsqu'on diminue sa densité, ce béton de chanvre voit parallèlement ses propriétés mécaniques diminuer. C'est la raison pour laquelle, il est nécessaire d'optimiser sa formulation, afin d'obtenir le meilleur compromis entre ses performances mécaniques, hygriques et thermiques, selon le domaine d'emploi (porteur et/ou isolant). La première piste d'optimisation envisagée consiste à faire varier le taux de granulats végétaux dans la composition du béton, mais aussi la nature et la quantité de liant utilisé. Le travail de cette thèse a pour objectif l'étude des propriétés mécaniques, thermiques et hygriques d'un béton de chanvre en fonction de sa formulation. Dans ce mémoire, on s'intéresse à la faisabilité de matériaux de construction légers à base de particules de chanvre et d'un liant à base de chaux, qui présentent de bonnes performances mécaniques. L'objectif principal ici est de réduire la concentration des ions Ca2+ libres responsables de la dégradation des particules végétales par minéralisation, et qui, par conséquent, induisent la perte de performance mécanique du matériau composite final. Pour y parvenir, une fraction du liant de base a été remplacée par du métakaolin qui interagit avec ces ions Ca2+ suivant une réaction pouzzolanique, afin d'empêcher leur migration vers les particules végétale. Dans un premier temps, nous avons étudié l'influence de différents pourcentages de métakaolin sur les liants témoins à base de chaux: chaux NHL5 et chaux préformulée Tradical PF70. Une étude préliminaire de caractérisation mécanique, en compression et en flexion, a permis suivant une approche "performantielle" de définir une formulation optimale des liants utilisés pour la fabrication des bétons étudiés. Ainsi, les matériaux composites finis sont testés pour différents pourcentages en volume (2V et 3V) de particules de chanvre. Les résultats de la caractérisation des propriétés physico-mécaniques de ces matériaux sont présentés et argumentés. Il en ressort une relation étroite entre la teneur en métakaolin et les propriétés physico-mécaniques du béton de chanvre, qui résulte de la réaction pouzzolanique. Des analyses microscopiques au MEB couplées à l'EDX ont montré une diminution de la zone de transition à l'interface particules de chanvre-liant, mais aussi une faible migration des ions Ca2+ responsables de la minéralisation des particules végétales. Puis, nous avons comparé les performances hygro-thermiques des bétons de chanvre formulés comprenant respectivement 2 volumes et 3 volumes de particules végétales pour un volume de liant, sans ou avec 20% de métakaolin, pourcentage optimal défini précédemment. Cette étude est particulièrement utile pour établir les proportions adéquates d'adjuvants à utiliser dans les bétons destinés aux travaux de rénovation ou aux constructions neuves. D'une manière générale et en fonction de la formulation, on obtient un matériau bon, voire excellent régulateur de l'humidité ambiante, avec des performances thermiques intéressantes pour l'isolation des bâtiments. Ce travail de caractérisation complète les nombreux travaux déjà réalisés sur les bétons biosourcés avec différents types de végétaux, et doit permettre d'alimenter les bases de données indispensables pour la simulation du comportement d'une paroi ou de l'enveloppe d'un bâtiment sous différents climats et garantir le confort des occupants
Hemp concrete is one of the most popular bio-based building materials in France. It is often used as a filling and / or insulation material, in an eco-construction system. Given its high porosity, this concrete has particularly advantageous thermal and hygric performance. However, the lighter this hemp concrete, the higher its level of thermal insulation, while its mechanical properties decrease. This is why it is necessary to optimize its formulation, in order to obtain the best compromise between its mechanical, hygric and thermal performance, depending on the field of use (carrier and / or insulator). The first optimization approach considered consists in varying the rate of plant aggregates in the composition of the concrete, but also the nature and quantity of binder used. The objective of this thesis is to study the mechanical, thermal and hygric properties of a hemp concrete according to its formulation. In this thesis, we are interested in the feasibility of lightweight building materials based on hemp particles and a lime-based binder, which present good mechanical performances. The main objective is to overcome the migration process of free Ca2+ to the lumen of hemp particles that are responsible for their degradation and which, consequently, induce the loss of mechanical performance of the final composite material. To achieve this, a fraction of the base binder is replaced by metakaolin. First, we studied the influence of different percentages of metakaolin on the carbonation of two lime-based control mortars: NHL5 lime and Tradical PF70 pre-formulated lime. Then, we measured their mechanical resistances in compression and flexion in order to define an optimal formulation. Thus, the finished composite materials are tested for different volume percentages (2v and 3v) of hemp particles. The results of the characterization of the physico-mechanical properties of the specimens are presented and argued. A close relationship between the metakaolin content and the physico-mechanical properties of the hemp concrete has been observed, due to the additional hydration products derived from pozzolanic reaction mechanism. The MEB and EDX analyses have shown the enhancement of hemp particles-binder Interfacial Zone Transition, while the pozzolanic reaction leads to reduce the migration process of free Ca2+ to lumen of vegetable particles thus reducing their mineralization. Then, we compared the hygro-thermal performances of hemp concretes formulated with respectively 2 volumes and 3 volumes of plant particles for one volume of binder, without or with 20% metakaolin, the optimal percentage defined previously. This study is particularly useful to establish the adequate proportions of admixtures to be used in concretes intended for renovation works or new constructions. Generally speaking, and depending on the formulation, we obtain a material that is a good or even excellent regulator of ambient humidity, with interesting thermal performances for the insulation of buildings. This characterization work completes the many works already carried out on biobased concrete with different types of plants, and should make it possible to feed the databases essential for the simulation of the behavior of a wall or of the envelope of a building under different climates and guarantee the comfort of the occupants

Les origines de la variabilité des propriétés du matériau béton de chanvre sont nombreuses. On distingue celles liées aux propriétés des ses constituants et du matériau lui-même auxquelles il faut ajouter les dispersions qui résultent des méthodes utilisées pour caractériser ce béton. Ce travail de thèse, s’intéresse à l’étude de la variabilité des propriétés du béton de chanvre en tenant compte de ces différentes sources et en particulier au type de chènevotte utilisée. L’étude bibliographique réalisée permet de comprendre le matériau béton de chanvre, notamment ses constituants, les méthodes de caractérisations en usage ainsi que l’ampleur de la variabilité et de la sensibilité de ses propriétés vis-à-vis des différents paramètres. Cet état de l’art, permet en outre d’identifier les paramètres à considérer dans le cadre de cette thèse. Notre travail de thèse est alors subdivisé en 4 chapitres en plus de l’étude bibliographique. Dans le deuxième chapitre, une étude multicritère sur les propriétés des chènevottes est présentée. Après une campagne expérimentale de caractérisation de 13 types de chanvre, une analyse des résultats à deux niveaux est réalisée. Elle prend en compte, la masse volumique, la capacité d’absorption d’eau et la granulométrie. Dans un premier temps on présente les résultats de l’étude mono-caractéristique ; il s’agit de la comparaison d’une caractéristique donnée pour l’ensemble des chènevottes. Dans un second temps, on présente les résultats de l’étude multicritère. Il s’agit d’analyser l’ensemble des chènevottes en prenant en comptes les différentes caractéristiques à la fois. A l’issue, les chènevottes sont classées en trois groupes. Le chapitre 3 constitue une étude préliminaire tenant compte des différents paramètres sources de variabilités des propriétés du béton de chanvre, comme le laboratoire d’essai (équipements), la gâchée, la taille d’éprouvette et le type de chanvre. Les résultats obtenus montrent la nécessité d’étudier l’impact du type de la chènevotte. Par ailleurs, la dispersion considérable obtenue pour les résultats du module d’Young est vraisemblablement associée à sa méthode de calcul. Il devient alors important d’approfondir l’étude de son impact sur les valeurs du module d’Young obtenues. Le chapitre 4 vise justement à étudier les méthodes de calcul du module d’Young. Les différentes méthodes de la littérature sont alors utilisées pour exploiter les courbes contrainte-déformation dont les essais ont été réalisés dans les mêmes conditions. Les variabilités observées sur les résultats vis-à-vis de chacune des méthodes permettent alors de mettre en évidence leur impact et de proposer la méthode « flottante » comme étant la plus pertinente. Par ailleurs, un modèle permettant de décrire la loi de comportement mécanique du béton de chanvre est proposé. Il permet de déterminer la courbe enveloppe correspondant à la courbe expérimentale issue du chargement monotone, et permet également de reproduire la courbe expérimentale issue d’un chargement cyclique. Dans le dernier chapitre, en se basant sur les résultats du chapitre 2, neuf types de chanvre ont été sélectionnés pour la confection des éprouvettes de l’étude. Dans les mêmes conditions (fabrication et essai), il a été mis en évidence expérimentalement l’impact de la chènevotte sur les propriétés mécaniques avec un facteur égal à 10 entre les valeurs faibles et élevées. La réponse mécanique caractérisée par des faibles (<5%), moyennes (>5% et <8%) et fortes (>8% et <20%) niveau de déformation a été mis en évidence. Ces variabilités, restent cependant moins marquées pour la conductivité thermique et la masse volumique du béton de chanvre. L’étude met en évidence l’intérêt d’une étude approfondie sur l’interaction liant/chènevotte pour une meilleure compréhension de l’impact de la chènevotte sur le béton de chanvre
The origins of the variability of hemp concrete material properties are numerous. They include among others those related to the properties of its constituents and material itself as well as the methods used for their characterizations. This thesis is interested in the study of the variability of hemp concrete properties taking into account these different parameters and in particular the type of hemp particles used. The litterature review corried out allowed to present the hemp concrete material, the properties of its constituents, their methods of characterization and also the extend of properties variability and sensitivity due to various parameters. Furthermore, it allowed to identify the parameters to be considered in the context of this thesis. Therefore, this thesis is devided into four chapters in addition to the literature review. In the second chapter, a multi-criteria study on the properties of hemp particles is presented. After an experimental study of characterization for 13 types of hemp particles, a two level analysis of result is performed. It takes into account the density, water absorption capacity and particle size distributions. First, the results of the single characteristic study are presented; it is about a comparison of a given characterstic for all hemp particles at the same time. Secondly, the results of the multi-criteria study are presented. In this last case, the analysis is corried out by taking into account all hemp particles and characteristics, both at the same time. The outcome of this study allowed to classify hemp particles into three groups from which, low, medium and high mechanical peformances are expected, respectively. Chapter 3 is a preliminary study taking into account various parameters as sources of variability for hemp concrete properties, such as the testing laboratory (equipments), the batch, the specimen size and hemp particles type. The obtained results highlight the need for further investigations about the impact of hemp particles type. Moreover, the considerable dispersion in the results of Young’s modulus is likely associated with its calculation method. It then becomes important to deepen the study of its impact on the values of Young’s modulus obtained. The chapter 4 aims to answer the problem found on the method for calculating the Young’s modulus. Various methods from literature are used to analyse the stress-strain curves from samples manufactured under the same conditions. The variability observed in results with respect to used method allowed to highlight their impact and to provide the floating method as the most pertinent since it presents less variability. In addition, a model to describe the mechanical behavior law of hemp concrete is proposed. It allows to determine the enveloppe curve which corresponds to experimental curve from the monotonic loading. It can also allow to reproduce the experimental curve from a cyclic loading. In the last chapter, based on the results of chapter 2, nine types of hemp particles were selected for the preparation and manufacturing of specimens of the study. Under the same conditions (manufacturing and test), it has been demonstrated experimentally the impact of hemp particles on mechanical properties with a factor 10 between low and high values from obtained results. The mechanical response characterized by low (<5%), medium (>5% and <8%) and high (> 8% and <20%) level of deformation have been highlighted. These variabilities remain, however less marked for thermal conductivity and density of hemp concrete material. This study highlights the interest of a comprehensive study on the interaction binder/hemp particles for a better understanding of the impact of hemp particles on hemp concrete

En France, le secteur du bâtiment constitue un enjeu majeur car est responsable à lui seul d'environ la moitié de la consommation d'énergie finale et près du quart des émissions nationales de gaz à effet de serre. Dans ce contexte, les réglementations concernant l’efficacité énergétique des bâtiments amènent les professionnels du bâtiment à s'interroger sur la question de l’isolation du bâti dit « ancien », en particulier, sur le bâti en tuffeau de la vallée de la Loire. Or, il n’existe pas actuellement de réponses technologiques avérées pour la réhabilitation de bâtiments en tuffeau. Dans ce cadre, on privilégiera des solutions techniques innovantes faisant appel au chanvre par deux applications sèche et humide. En effet, des travaux de recherche récents ont souligné la performance hygrothermique intéressante de cet éco-matériau, en outre de son respect à l’environnement et la démarche du développement durable. Dans cette thèse, trois objectifs sont ainsi visés. Le premier, a été axé sur une étude paramétrique du tuffeau et des bétons de chanvre ce qui permettra d’élaborer une base de données regroupant les propriétés nécessaires à l’évaluation de la technique d’isolation et à la modélisation numérique des transferts couplés chaleur/humidité dans les parois. Le deuxième objectif a été de tester les parois isolées sous des conditions d’humidité et de température réelles imposées avec la réalisation d’une cellule biclimatique. Enfin le troisième objectif de ce travail fut de vérifier les résultats expérimentaux aux résultats numériques obtenus par le biais d’un logiciel de simulation bidimensionnel des transferts couplés en milieux poreux (chaleur/humidité – WUFI)
In France, the building sector is a major challenge because alone is responsible for about half of the final energy consumption and nearly a quarter of national greenhouse gas emissions. In this context, the regulations concerning the energy efficiency of buildings lead professionals to wonder about the issue of the insulation of buildings said “old”, built before 1948, in particular, those of Loire Valley made with tuffeau. However, there are no proven technology answers for the rehabilitation of buildings in limestone. In this context, we preferred use innovative technical solutions using hemp by wet and dry applications. Indeed, recent research has highlighted the interesting hygrothermal performance of this eco-material, in addition to its respect for the environment and sustainable development approach. In this phD work, three objectives are well pointed out. The first focused on a parametric study of limestone and concrete hemp to create a database of properties necessary for the evaluation of the insulation technique and numerical modeling of coupled heat and moisture transfer in the walls. The second objective was to test the insulated walls under real relative humidity and temperature conditions imposed within a biclimatic device. Finally, the third objective was to verify the experimental results with the numerical results obtained through two-dimensional software in porous media (heat / moisture - WUFI)

La conception écologique des structures et le développement durable jouent un rôle important dans l'industrie de la construction. Les matériaux écologiques de construction tels que le béton de terre, contenant une proportion de divers composants écologiques, sont de grande importace aujourd'hui. L'objectif de la production de ce béton est de réduire la consommation de ciment et donc la production de CO2, de fournir des solutions pour éviter l’épuisement des ressources naturelles comme les granulats et de réduire la consommation d'énergie dans le processus de production.Ces dernières années, de nombreux efforts ont été réalisés dans le domaine de la construction pour remplacer le béton traditionnel par des matériaux alternatifs tels que le béton contenant une forte proportion de divers composants écologiques appelés « vert » en maintenant des propriétés acceptables pour l'application souhaitée. Par exemple, les constructions réalisées à partir de la terre crue sont intéressantes considérant leurs meilleures propriétés thermiques et acoustiques par rapport à un béton ordinaire. Cependant, des recherches additionnelles sont nécessaires pour mieux comprendre leurs propriétés mécaniques et leur durabilité.Cette étude vise à optimiser la composition d’un nouveau béton écologique constitué de sols locaux. Plusieurs mélanges composés de différentes proportions de sols argileux, de sols sableux et de faible quantité de ciment, de chaux et de fibres de chanvre ont été testés. La minéralogie et la composition chimique du sol argileux ont été étudiées par analyse des résultats obtenus par diffraction des rayons X (XRD) et par Microscopie à balayage électronique (ESEM) associée à la spectrométrie dispersive énergétique des rayons X (EDS). Le compactage des mélanges de béton de terre a été réalisé par vibration, comme dans le cas d’un béton ordinaire, pour obtenir l'ouvrabilité requise sur les chantiers de construction. Des essais de compression ont été effectués sur des éprouvettes d’âges différents et conservées dans différentes conditions de cure. La technique non destructive des ultrasons a été utilisée pour suivre le durcissement du béton de terre en fonction des conditions de cure. Les propriétés de transfert de ce béton ont été aussi étudiées en réalisant des essais de perméabilité, de porosité à l’eau, de porosimétrie à mercure et des essais d'absorption d'eau. La carbonatation de ce béton a été également évaluée. La durabilité du béton de terre a été examinée en suivant les déformations différées et plus particulièrement le retrait endogène et de dessiccation ainsi que le fluage en flexion
The ecological design of structures and the sustainable development is nowadays of high importance in the construction industry. Thus, alternative building materials such as soil concrete containing a proportion of various ecological components are of high importance nowadays. The aim of producing ecological concrete is to reduce the consumption of cement and thus the CO2 production, to provide alternatives to the impoverishment of resources and to reduce the energy consumption in the production process.In recent years, many changes have been observed in the construction methods with the aim to replace traditional concrete by alternative construction materials such as concrete containing a high proportion of various ecological component called "green" while maintaining acceptable properties for the desired application. For instance, constructions made of cost effective raw soils are of real interest since the thermal and acoustic properties are more important than that of ordinary concrete. However, more researchs are needed in order to have a better understanding of their mechanical properties and their durability.This study aims to optimize the composition of a new ecological concrete constituted of upgraded excavated soil. Several soil concrete mixtures, composed of different proportions of clayey soil, sandy soil and small quantities of cement, lime and hemp fibers have been tested. The mineralogy and chemical composition of clayey soil was studied by X-ray diffraction (XRD) analysis, and by Environmental Scanning Electron Microscopy (ESEM) coupled with the X-Ray Energy Dispersive Spectrometry (EDS). The casting of the concrete mixtures has been realized by vibration, as ordinary concrete, to obtain the required workability on construction sites.Compressive tests have been carried out on samples at different curing time and conditions. The ultrasonic non-destructive technique has been used for monitoring the hardening of soil concrete in function of the curing conditions. As soil concrete presents important volumetric change that can cause the infiltration of water and impact their durability, an experimental investigation on autogenous and drying shrinkage is reported. Water porosity and water absorption tests have been also carried out to evaluate the transfer property of the porous material. The carbonation of this concrete was also evaluated. The durability of the soil concrete was examined by following the deferred deformations and more particularly the endogenous shrinkage and desiccation as well as the flexural creep

L'utilisation de matériaux isolants à base de granulats végétaux est en plein essor notamment pour la réhabilitation du bâti ancien, améliorant ainsi le confort des habitants. Ces matériaux possèdent des propriétés thermiques, hydriques et acoustiques appréciables. Cependant, leur développement est encore limité par le manque d'information sur l'évolution de leurs performances à long terme. Ainsi, l’objectif de cette étude est d’évaluer l’évolution des propriétés fonctionnelles du béton de chanvre, en identifiant les mécanismes de vieillissement lorsque le matériau est exposé à différents types d'environnements. Pour cela, deux bétons de chanvre formulés avec une même chènevotte et deux liants de nature chimique différente sont retenus. L’approche utilisée dans cette étude est pluridisciplinaire (chimique, physico-chimique, microbiologique, microstructurale, acoustique, thermique et mécanique) et multi échelle. L'étude des propriétés chimiques et microstructurales permet de comprendre les variations des propriétés fonctionnelles. Dans un premier temps, la caractérisation initiale des deux formulations a permis de mettre en évidence l’absence d’influence de la nature du liant sur les propriétés fonctionnelles des isolants, ce qui peut être en partie expliqué par des microstructures similaires. Une faible résistance mécanique des matériaux, liée à l'inhibition de la prise des liants en raison de leurs interactions avec les molécules extraites de la chènevotte, a également été mise en évidence. Dans un second temps, les bétons de chanvre ainsi que la chènevotte brute sont soumis à un vieillissement accéléré en imposant des cycles d’humidification/séchage pendant deux ans. Les modifications des performances des matériaux à différentes échéances sont comparées à celles d'échantillons de référence placés à 50% d’humidité relative et une température constante contrôlée. Dans les conditions de référence, aucune variation de propriétés n'est observée. Pour le vieillissement accéléré, les variations de propriétés mises en évidence sont induites par différents paramètres. Dans le cas de la chènevotte brute, l’action des microorganismes et l’adsorption d’eau entrainent une perte de masse et l'ouverture des porosités à l'origine des variations des propriétés acoustiques et hydriques. Pour le béton de chanvre, aucun développement fongique n’est observé en surface du matériau. En revanche, l’action de microorganismes est bien visible à l’intérieur des granulats végétaux, et des mécanismes supplémentaires sont identifiés : les réactions d'hydratation et de carbonatation au sein du liant ainsi que la minéralisation de la chènevotte entrainent des variations de propriétés thermiques, acoustiques et hydriques en modifiant la microstructure des bétons de chanvre. En conclusion, l’absence de variations des propriétés des bétons de chanvre dans les conditions de référence laisse penser que dans un bâtiment réel, leurs propriétés peuvent être stables dans le temps, les pathologies observées étant alors liées à une mise en œuvre défaillante. Pour aller plus loin, les résultats obtenus lors de ce travail devront être validés par une étude in situ qui permettrait d’estimer la durée de vie de ces matériaux
The use of insulating materials based on plant aggregates is growing quickly, especially for the rehabilitation of old buildings, thus improving the comfort of residents. These materials have significant thermal, hydric and acoustic properties. However, their development is still limited by the lack of information on the evolution of their long-term performances. Thus, the objective of this study is to evaluate the evolution of the functional properties of hemp concretes, by identifying the aging mechanisms when the material is exposed to different types of environments. For this aim, two hemp concretes formulated with one type of hemp and two binders with different chemical nature are retained. The approach of this study is multidisciplinary (chemical, physico-chemical, microbiological, microstructural, acoustic, thermal and mechanical) and multi-scale. The study of chemical and microstructural properties allows the understanding of the variations of functional properties. Firstly, the initial characterization of the both hemp concretes made it possible to demonstrate the absence of impact of the nature of the binder on the functional properties of the insulators, which can be partly explained by their similar microstructure. A weak mechanical resistance of the materials was also highlighted, related to the inhibition of the setting of the binders because of their interactions with the molecules extracted from the shiv. Secondly, hemp concretes and bulk shiv hemp are subjected to an accelerated aging by imposing cycles of humidification / drying during two years. The modifications of the material performances at different time scales are compared to reference samples stored at 50% of relative humidity and a constant controlled temperature. Under reference conditions, no variation in properties is observed. For accelerated aging, the variations of properties highlighted are induced by several parameters. In the case of bulk shiv, the action of microorganisms and the adsorption of water lead to a loss of mass and to the opening of porosities, leading to variations in acoustic properties. For hemp concretes, no fungal development is observed on the surface of the material. On the other hand, the action of microorganisms is clearly visible inside the plant aggregates, and additional mechanisms are identified: the hydration and carbonation reactions within the binder as well as the mineralization of the vegetal particles cause variations in thermal, acoustic and hydric properties by modifying the microstructure of hemp concretes.In conclusion, the absence of variations in the properties of hemp concretes in the reference conditions suggests that in a real building, their properties can be stable over time, the observed pathologies then being due to a faulty implementation. To go further, the results obtained during this work have to be validated by an in-situ study to be able to estimate the lifetime of these materials

L'utilisation de ressources lignocellulosiques renouvelables connaît à l'heure actuelle un indéniable regain d'intérêt pour l'élaboration de matériaux de construction. Partant de ce constat, un premier axe de travail a vu l'élaboration de bétons de végétaux constitués de granulats de végétaux lignocellulosiques et d'un liant pouzzolanique. Les broyats de tige de chanvre et de tournesol ont ainsi été sélectionnés pour leurs similarités et leur disponibilité dans la région Auvergne. En parallèle, un liant pouzzolanique constitué de 80% en masse de sable de ponce volcanique provenant d'une carrière locale, de 20% de chaux aérienne et d'un activateur a été formulé. Les résultats obtenus montrent la similitude des caractéristiques des granulats de chanvre et de tournesol ainsi que des performances mécaniques et thermiques des bétons légers (<500kg.m-3) constitués de ces végétaux. Les matériaux formulés satisfont aux critères fixés dans les règles professionnelles de la construction en chanvre. Dans un deuxième axe de travail, l'analyse bibliographique réalisée a permis d'identifier la qualité d'interface entre les particules végétales et le liant minéral comme un des principaux verrous scientifiques concernant les bétons de végétaux. Les problèmes de prise à cœur de ces matériaux mériteraient en effet d'être reliés avec ceux observés à l'interface liant/bois. Deux voies d'amélioration sont ainsi explorées dans une approche multi-échelles mêlant analyses physico-chimiques et essais mécaniques: le traitement préalable des particules végétales et l'adjuvantation spécifique du liant. La première stratégie a consisté à réaliser sur les granulats végétaux deux types de modifications: un recouvrement à l'huile de lin et un traitement en solution aqueuse de Ca(OH)2. Afin d'analyser à court terme l'interaction entre les particules ainsi modifiées et le liant frais, un dispositif de mesure spécifique dit de la plaque immergée est utilisé. Les résultats montrent une amélioration de l'interphase liant/végétal après le traitement des granulats en solution de Ca(OH)2. De façon surprenante, les performances mécaniques des bétons de végétaux chutent lorsque les granulats sont préalablement traités. Cette approche, en plus d'être contraignante d'un point de vue industriel, ne résout donc pas de façon satisfaisante les problèmes d'interfaces liant/bois. La seconde stratégie mise en place a nécessité l'intégration dans le liant d'un adjuvant rétenteur d'eau de type éther de cellulose dans des proportions variant de 0,5 à 1,5% par rapport à la masse des poudres. Les observations d'échantillons réalisées au MEB et couplées à une analyse EDX soulignent l'aptitude de l'éther de cellulose utilisé à améliorer les interfaces liant/bois. Une explication de l'action de ces molécules polymères sur les interfaces, basée sur la bibliographie et l'analyse du liant, est proposée. Cette approche a permis l'élaboration de bétons de végétaux immédiatement démoulables, à la compactabilité et la cohésion accrue et dont les propriétés mécaniques sont améliorées par rapport aux solutions en usage. Notons que cette amélioration n'est pas effectuée au détriment des propriétés thermiques. L'utilisation dans les bétons de végétaux d'un rétenteur d'eau ouvre dès lors des perspectives de développement : blocs préfabriqués, enduits légers, murs de béton projeté.

La préoccupation environnementale a donné naissance à diverses réflexions dans le but de répondre à deux exigences primordiales: diminuer la consommation d'énergie et les impacts sur l'environnement extérieur, et assurer la qualité et le confort des bâtiments. Il est évident que les solutions utilisées actuelles ne sont pas universelles et leur efficacité dépend de nombreux facteurs comme le climat environnant, le type d'utilisation, etc. Le choix de matériaux utilisés et la compréhension des phénomènes physiques de base liés au climat sont des facteurs essentiels à la réussite de la conception d'un bâtiment à hautes qualités environnementale et énergétique. Le recours à l'utilisation de matériaux bio-sourcés dans la construction (de type co-produits agricoles) est une démarche en plein développement dans le monde qui doit permettre de limiter l'utilisation des ressources fossiles et réduire la facture énergétique. Parmi les nouveaux matériaux, ceux développés à base d'agro-ressources ont fait l'objet depuis plusieurs années d'un regain d'intérêt et de reprise d'études, mettant en valeur leur capacité à réguler les variations hygrométriques ambiantes. Cependant, l'étude bibliographique montre que ces matériaux bio-sourcés possèdent une inertie thermique faible qui pourrait être améliorée en utilisant le matériau à changement de phase (MCP) qui est un matériau capable de transiter entre les différentes phases de façon réversible en échangeant de l'énergie avec son environnement en fonction des conditions de températures imposées. L'objectif de la thèse est d'étudier les performances hygrothermiques de bétons et enduits de chanvre intégrant différents ratios d'un matériau à changement de phase pour application dans le bâtiment
The environmental concern has given rise to various reflections in order to meet two essential requirements: reduce energy consumption and impact on the external environment, and ensure the quality and comfort of buildings. It is obvious that the solutions used today are not universal and their effectiveness depends on many factors such as the surrounding climate, the type of use, etc. The choice of materials used and the understanding of the basic physical phenomena related to the climate are essential factors for the success of the design of a building with high environmental and energy qualities. The use of bio-based materials in construction (agricultural co-products) is a rapidly developing approach worldwide that aims to limit the use of fossil fuels and reduce the energy bill. Among the new materials, those developed based on agro-resources have been the subject for several years of renewed interest and resumption of studies, highlighting their ability to regulate ambient hygric variations. However, the literature review shows that these materials have a low thermal inertia that could be improved by using the phase change material (PCM) that can absorb and release heat energy when phase change occurs depending on the imposed temperature conditions. The aim of the thesis is to study the hygrothermal performance of hemp concrete and hemp coating incorporating phase change materials for application in the building

Dans un contexte de performance énergétique et de durabilité dans le secteur du bâtiment, la maîtrise du comportement hygrothermique des matériaux d'enveloppe, notamment hygroscopiques, est essentielle. Les travaux réalisés concernent la compréhension et la modélisation des transferts de chaleur et d'humidité au sein d'une paroi multicouche de bâtiment composée de matériaux biosourcés.Une attention particulière est portée sur les phénomènes d'hystérésis observés sur les isothermes de sorption. Un modèle numérique 1D développé sur COMSOL Multiphysics est exploité pour simuler en régime transitoire les champs de température et de pression de vapeur dans trois situations. La première concerne l'étude du comportement hygrothermique de matériaux fortement hygroscopique (béton de chanvre) et faiblement hygroscopiques (enduits à base de chaux) soumis à diverses variations cycliques d'humidité relative. Un bon accord est constaté entre les simulations et des mesures d'humidité relative, de température et de teneur en eau. Néanmoins, les résultats présentent une forte sensibilité aux propriétés hydriques. Dans un second temps, une étude est menée sur une paroi de béton de chanvre instrumentée placée dans une enceinte bi-climatique et exposée à des variations de température et d'humidité relative. La confrontation des évolutions mesurées et calculées montre la nécessité de bien définir le champ de teneur en eau initiale. La dernière étude concerne une paroi multicouche (béton de chanvre et enduits). Il apparaît que les enduits jouent un rôle important sur le comportement de la paroi et il est nécessaire de prendre en compte l'influence de la température sur les courbes de sorption
In a context of energy efficiency and durability in the field of building, the understanding of hygrothermal behaviour of building materials, especially hygroscopic ones, is essential. This study aim to understand and model heat and moisture transfers in a multi-layer building wall made of biosourced materials. We focus in particular on hysteretic phenomena observed on sorption isotherms. A one-dimensional numerical model developed with the COMSOL Multiphysics software is used to simulate transient temperature and vapour pressure in three situations. The first one is about the hygrothermal behaviour of materials, highly hygroscopic (hemp concrete) and lowly hygroscopic (lime-based plasters), exposed to several cyclical variations of relative humidity. A good agreement is observed between simulated and measured values of relative humidity, temperature and moisture content. However, results are highly sensitive to hydric properties. Then, a study is performed on an instrumented hemp-concrete wall built in a bi-climatic chamber and exposed to simultaneous temperature and relative humidity variations. The confrontation between measured and simulated values shows the importance of initial moisture content

L’objectif de ce travail de thèse est d’établir une méthode d’éco-conception basée sur l’Analyse de Cycle de Vie, qui doit permettre d’identifier des leviers d’actions environnementaux propres à chacun des différents acteurs économiques intervenant dans le cycle de vie d’un produit. L’Analyse de Cycle de Vie a été couplée avec deux méthodes d’analyse de sensibilité, suivant cinq étapes décrites dans le mémoire : (i) la définition des objectifs et du système, (ii) la modélisation du calcul de l’inventaire et des indicateurs d’impacts avec des approches différenciées en premier et arrière-plan, (iii) la caractérisation des paramètres utilisés avec unetypologie définie selon les possibilités d’action de l’acteur économique concerné, (iv) la réalisation successive de deux méthodes d’analyse de sensibilité (Morris et Sobol) sur le modèle défini, (v) l’interprétation des résultats en vue de proposer des pistes efficaces d’amélioration. L’approche établie a été appliquée au cycle de vie du béton de chanvre, avec l’étude des étapes de production agricole, de transformation des fibres de chanvre et d’utilisation du béton de chanvre comme isolant thermique dans le bâtiment. L’approche permet d’identifier des scénarios technologiques potentiels, permettant d’améliorer les performances environnementales, pour chacun des acteurs du cycle de vie du produit. Mettre en oeuvre cette approche actuellement nécessite un surcroît d’informations, mais présente un gain à long terme car elle permet d’effectuer des choix robustes pour un produit donné
The purpose of this PhD thesis is to establish an ecodesign method based on Life Cycle Assessment, that should allow identifying action levers specific for each economic actor of the life cycle of a product, for improved environmental performances. Life Cycle Assessment was coupled with two methods of sensitivity analysis in five steps: (i) definition of objectives and system, (ii) modeling calculation of inventory and impact indicators with different approaches according to foreground and background sub-systems, (iii) characterization of parameters using a typology specific to possibilities of control of the considered economic actor, (iv) application of two sensitivity analysis methods (Morris and Sobol) and (v) results interpretation in order to identify potential efficient improvements. The approach was applied on the hemp concrete insulation product, including agricultural production, industrial transformation of hemp fibers, and use of hemp concrete as a thermal insulator for buildings. The approach provides potential technological scenarios improving environmental performances for each single economic actor of the product’s life cycle. Performing the method presently requires additional information, but will probably be paid back in the future by driving more robust choices for a given product

Les projets de construction sont aujourd'hui confrontés à des défis importants pour réduire la grande quantité d'énergie employée quotidiennement pour les utilisations tels que le chauffage, l'électricité et l'eau chaude dans les bâtiments résidentiels et commerciaux, en particulier en Europe. De nombreux règlements de construction encouragent l'utilisation des matériaux biosourcés puisqu’ils semblent avoir des propriétés physiques supérieures en terme d'efficacité énergétique dans le secteur de la construction. L'utilisation de matériaux à faible teneur en carbone dans des structures telles que le béton de chanvre améliore le niveau d'isolation ainsi que l'absorption acoustique et diminue le poids de la structure du bâtiment, car ce matériau naturel fournit un agrégat à faible densité. Cette étude concerne le comportement mécanique de murs en bois, réalisés avec des planches croisées en bois CLT et des murs à panneaux d’OSB, sous l’effet de forces horizontales de cisaillement. Une approche théorique a été proposée pour prédire la performance latérale de la paroi CLT par rapport aux charges latérales ainsi qu’une comparaison entre les résultats théoriques et expérimentaux a été effectuée. Des essais expérimentaux ont été réalisés sur des murs de bois ayant deux formes différentes pour étudier et mettre en évidence les paramètres qui affectent significativement la résistance latérale du béton de chanvre en tant que matériau de remplissage. Des montants verticaux et des éléments de contreventement diagonaux de 2,5 mètres de hauteur et 1,25 mètres de largeur soumis à une compression ont été réalisés dans cette étude . Les résultats ont montré que le béton de chanvre apporte une légère contribution contre les charges latérales dans les murs verticaux de 1,25 mètres de largeur, ce qui signifie qu'une diminution de la largeur du mur de bois diminue significativement la contribution du béton de chanvre contre les charges latérales. Trois murs en bois de différentes longueurs (1,2 mètres, 1,6 mètres et 2,4 mètres) remplis de béton de chanvre ont été étudiés numériquement dans cette étude. D'après les résultats numériques, il était évident que la largeur du mur en bois joue un rôle principal dans la résistance latérale du béton de chanvre : lorsque la largeur du mur augmente, la résistance latérale du béton de chanvre s’accroît considérablement. De plus, le contact et la liaison entre le chanvre et les montants en bois affectent totalement la capacité de la résistance latérale du béton de chanvre en tant que matériau de remplissage dans les murs en bois
Construction projects nowadays face significant challenges to reduce the large amounts of daily energy usage for utilities such as heating, electricity and hot water in residential and commercial buildings – especially in Europe. Many building regulations encourage the use of bio-based materials with superior physical properties for energy efficiency in the construction sector. The use of low-carbon material in structures such as hemp concrete, improves the insulation level and sound absorption and simultaneously decreases the weight of the building structure, as this natural material provides low-density aggregate. This study aimed to investigate the mechanical behaviour of timber frame walls against lateral loads. Cross-laminated timber walls (CLT) and Oriented Strand Board (OSB) were used in this study in order to examine the global lateral strength of timber walls. A theoretical approach has been proposed to predict the lateral performance of CLT wall against lateral loads and a comparison between the theoretical and experimental results has been conducted. Experimental testing was undertaken on a full-size example of two different designs of timber walls to investigate and highlight the parameters that significantly affect the lateral resistance of hemp concrete as infill material. Vertical studs and diagonal bracing elements under compression were used in this study, with dimensions of 2.5m height and 1.25m length. The results showed that hemp concrete makes a slight contribution against lateral loads in vertical stud timber wall of length 1.25m, which means that decreasing the length of timber wall significantly decreased the hemp concrete contribution against lateral loads. Three timber walls with different lengths (1.2m, 1.6m and 2.4m) filled with hemp concrete have been examined numerically in this study. Based on the numerical results, it was obvious that the length of the timber wall plays a major role in the lateral strength of hemp concrete, as increasing the wall length significantly increased the lateral strength of hemp concrete. Also, the contact and bonding between hemp material and timber studs significantly affected the lateral load carrying capacity of hemp concrete as infill material in timber frame walls

Dans le bâtiment, de nouvelles réglementations thermiques sont mises en place afin de répondre à des problématiques d'économie d'énergie, et font apparaître de nouveaux types de matériaux. Cela ne doit pas se faire au détriment des propriétés acoustiques. Les matériaux à base de particules et fibres végétales, tels que le béton de chanvre et les laines chanvre/lin, sont caractérisés par des propriétés multifonctionnelles de haut niveau et constituent des solutions parfaitement adaptées à ce contexte. L'objectif de ce travail de thèse est d'explorer les propriétés acoustiques de ces matériaux, et plus particulièrement de mettre en évidence la contribution de leurs différentes échelles de porosité à la dissipation acoustique. A cette fin, les propriétés physiques et acoustiques de laines végétales, de chènevottes et de bétons de chanvre ont été caractérisées, et analysées en s'appuyant sur la théorie des matériaux poreux à simple et multiple échelle, développée dans la littérature. La campagne expérimentale a permis de souligner les performances acoustiques élevées de ces matériaux, pouvant être contrôlées par des leviers d'action relatifs au choix de leurs constituants et de leur mise en oeuvre. Il est de plus montré qu'étant donné le gradient de perméabilité existant entre les micropores (pores intrafibres, intraparticules et intraliants) et les mésopores (pores interfibres et interparticules), seuls les mésopores participent à la dissipation acoustique. Dans ce cadre, des modèles semi-phénoménologiques sont utilisés afin de prédire les propriétés acoustiques à partir des paramètres de base des constituants. Cette modélisation est finalement exploitée à travers une optimisation des propriétés acoustiques des matériaux à partir de leur formulation, leur structure multicouche et leur géométrie de surface. Des méthodes de caractérisation des matériaux par mesures acoustiques sont également proposées afin de réaliser un contrôle de qualité des granulats de chanvre.

Le présent travail a pour objectif de comprendre l’influence des paramètres géométriques des éco-matériaux d’enveloppe, tels que le béton de chanvre, sur les mécanismes de transferts couplés de chaleur, d'air et d’humidité afin de prédire le comportement du bâtiment dans le but de le piloter et de l’améliorer dans sa durabilité. Pour cela, une approche multi-échelle est mise en place. Elle consiste à maîtriser les phénomènes physiques dominants et leurs interactions à l’échelle microscopique. S’ensuit, une modélisation à double échelle, microscopique–macroscopique, des transferts couplés de chaleur, d’air et d’humidité qui prend en compte les propriétés intrinsèques et la topologie microstructurale du matériau moyennant le recours à la tomographie rayon X conjuguée à la corrélation d’images 2D et 3D. Pour cela, une campagne de caractérisation fine des propriétés physiques et hygrothermiques du béton de chanvre confectionné au laboratoire a été réalisée. Elle s’est focalisée sur l’étude de l’impact du vieillissement, l’état thermique et hydrique du matériau sur ses propriétés intrinsèques. Les résultats montrent une excellente capacité d'isolation thermique et de régulation naturelle d’humidité du béton de chanvre. Puis, une caractérisation microscopique par différentes techniques d’imagerie a été effectuée. Les reconstructions 3D du matériau réel scanné au tomographe aux rayons X à différentes résolutions montrent que le béton de chanvre possède plusieurs échelles de porosité, allant de la microporosité au sein du liant et des chènevottes à la macroporosité inter-particulaire. Le comportement hygro-morphique sous sollicitations hydriques a été ensuite étudié. Les résultats de la corrélation d’image numérique 2D et de la tomographie aux rayons X couplés à la corrélation d’images volumiques, montrent la nature du comportement du béton de chanvre soumis à des hygrométries différentes. En effet, la chènevotte subit des déformations plus importantes que le liant, causant ainsi des modifications de la microstructure du matériau. Sur le volet de la modélisation, moyennant la technique d’homogénéisation périodique un modèle des transferts couplés de chaleur, d’air et d’humidité dans les matériaux poreux de construction a été développé. Les tenseurs de diffusion et de conductivité thermique homogénéisés ont été calculés numériquement. Ensuite, une confrontation entre les résultats du calcul des coefficients de diffusion macroscopique et ceux expérimentaux obtenus au LaSIE a été réalisée. Elle met en évidence la qualité de la prédiction. De plus, la conductivité thermique de la phase solide a été ainsi déduite. Les résultats obtenus dans le cadre de ce travail de thèse ont mis en exergue l’influence de l’état hydrique et thermique du béton de chanvre sur ces propriétés intrinsèques, et sa microstructure très hétérogène. Ils ont révélé aussi les limites des approches phénoménologiques basées sur l’établissement des bilans de masse, de quantité de mouvement et d’énergie
The aim of this work is to understand the influence of the geometric parameters of envelope eco-materials, such as hemp concrete, on the mechanisms of coupled heat, air and moisture transfers, in order to predict behavior of the building to control and improving it in its durability. For this a multi-scale approach is implemented. It consists of mastering the dominant physical phenomena and their interactions on the microscopic scale. Followed by a dual-scale modeling, microscopic-macroscopic, of coupled heat, air and moisture transfers that takes into account the intrinsic properties and microstructural topology of the material using X-ray tomography combined with the correlation of 2D and 3D images. A characterization campaign of physical and hydrothermal properties of the hemp concrete manufactured in the laboratory was carried. It focused on studying the impact of aging, thermal and hydric state of the material on these intrinsic properties. The results show an excellent thermal insulation and natural moisture regulation capacity of hemp concrete. Then, a microscopic characterization by different imaging techniques was performed. The 3D reconstructions of the real material scanned with X-ray tomography at different resolutions show that hemp concrete has several scales of porosity, ranging from micro-porosity within the binder and hemp shiv to the inter-particle macro-porosity. The hydromorphic behavior under hydric solicitations was studied. The results of the 2D digital image correlation and X-ray tomography coupled with the volumetric image correlation show the nature of the behavior of hemp concrete subjected to different relative humidities. In fact, the hemp shiv undergoes greater deformations than the binder, thus causing changes in the microstructure of the material. On the modeling part, a model of coupled heat, air and moisture transfer in porous building materials was developed using the periodic homogenization technique. The homogenized tensors of diffusion and thermal conductivity were determined numerically. Then, a confrontation between the results of the calculation of the macroscopic diffusion coefficients and the experimental results obtained at the LaSIE was carried out. It highlights the quality of the prediction. In addition, the thermal conductivity of the solid phase was thus deduced. The results obtained in the framework of this PhD thesis have highlighted the influence of the hydric and thermal state of the hemp concrete on these intrinsic properties and its very heterogeneous microstructure. They also revealed the limitations of phenomenological approaches based on the establishment of the balances of mass, amount of motion and energy

Face à la problématique énergétique du bâtiment et l'impact environnemental, les enveloppes hygroscopiques constituent une alternative très intéressante pour améliorer le confort thermique, la qualité de l’air intérieur, la régulation de l’humidité intérieure et réduire la consommation d’énergie. Ces travaux de thèse visent à étudier les transferts couplés de chaleur et de masse au sein des matériaux poreux comme le béton de chanvre. Il s’agit de prédire le comportement hygrothermique de ces matériaux, à travers un modèle macroscopique, basé sur des moteurs de transferts ; la température pour le transfert thermique, la pression de vapeur d’eau pour le transfert d’humidité et la pression pour le transfert de l’air. La difficulté de l’utilisation de ce modèle réside dans l’identification des nombreux paramètres caractérisant les propriétés hygrothermiques des matériaux. Une partie du travail a été consacrée à l’évaluation des principales propriétés intrinsèques des matériaux moyennant l’élaboration de différents prototypes expérimentaux au laboratoire dans le cadre d’une investigation recommandée par le comité de RILEM TC-275 HDB. Par ailleurs, la variabilité des paramètres issus de cette dernière campagne ainsi que la méconnaissance des restes des paramètres nous amènent vers une analyse de sensibilité des paramètres. Cette étude a permis d’identifier les paramètres les plus influents sur la réponse hygrothermique d’une paroi en béton de chanvre. Sur cette base, un modèle réduit a été déduit en fonction de ces derniers paramètres (conductivité thermique, capacité thermique, perméabilité à la vapeur et capacité de stockage). Ce travail a été mis en œuvre à l’aide d’une discrétisation par la méthode des éléments finis implantée dans un code Matlab. Par la suite, une étude adimensionnelle a été entreprise, elle a permis d’identifier les paramètres les plus importants dans la prédiction du comportement hygrothermique d’une paroi en béton de chanvre. Les paramètres résidus de cette étude de sensibilité constituent un facteur déterminant dans la distinction des matériaux qui sont à la fois des isolants thermiques et perméables à la vapeur d’eau (des régulateurs hydriques). Enfin, une confrontation des résultats du modèle réduit à ceux de la littérature est présentée. Cette comparaison a mis en évidence l’influence de l’isotherme de sorption sur le comportement hygrothermique d’une paroi en béton de chanvre
Facing the energy problems of the building and the environmental impact, hygroscopic envelopes constitute a very interesting alternative to improve the thermal comfort, the quality of the indoor air, the regulation of the indoor humidity and to reduce the energy consumption. This thesis work aims to study the coupled heat and mass transfers within porous materials such as hemp concrete. The aim is to predict the hygrothermal behaviour of these materials, through a macroscopic model, based on transfer motors; temperature for heat transfer, water vapour pressure for moisture transfer and pressure for air transfer. The difficulty of using this model lies in the identification of the numerous parameters characterizing the hygrothermal properties of the materials. Part of the work has been devoted to the evaluation of the main intrinsic properties of the materials through the elaboration of different experimental prototypes in the laboratory within the framework of an investigation recommended by the RILEM TC-275 HDB committee. Moreover, the variability of the parameters resulting from this last campaign as well as the lack of knowledge of the remaining parameters lead us to a sensitivity analysis of the parameters. This study allowed to identify the most influential parameters on the hygrothermal response of a hemp concrete wall. On this basis, a scale model was deduced according to these last parameters (thermal conductivity, thermal capacity, vapour permeability and storage capacity). This work was implemented using discretization by the finite element method implemented in a Matlab code. Subsequently, an adimensional study was undertaken, which identified the most important parameters in the prediction of the hygrothermal behaviour of a hemp concrete wall. The parameters remaining from this sensitivity study are a determining factor in the distinction between materials that are both thermal insulators and water vapour permeable (water regulators). Finally, a comparison of the results of the reduced model with those of the literature is presented. This comparison highlighted the influence of the sorption isotherm on the hygrothermal behaviour of a hemp concrete wall

Cette recherche porte sur les fils multifilamentaires de verre utilisés pour renforcer les matériaux à base de ciment. Elle est focalisée sur les interactions mécaniques de ce type de fils, constitués d'un assemblage de milliers de filaments micrométriques, avec un micro-béton et sur le rôle spécifique de l'imprégnation du fil par cette matrice cimentaire. Trois pré-conditionnements des fils ont été employés lors de la fabrication des éprouvettes afin de moduler les conditions d'imprégnation par la matrice cimentaire. L'imprégnation de 5 fils multi-filamentaires par la matrice cimentaire a été caractérisée et les paramètres d'imprégnation ont été définis en s'appuyant sur des observations MEB, ainsi que des essais de porosimétrie au mercure et des essais spécifiques d'écoulement le long du fil enrobé. Des essais classiques d'arrachement de type pull-out ont été utilisés pour la caractérisation mécanique. L'analyse des liens entre les propriétés mécaniques et les paramètres d'imprégnation ont permis de mieux comprendre les micro-mécanismes d'interaction filaments / matrice cimentaire et d'expliquer le comportement macroscopique à l'arrachement
This research deals with multi-filaments glass yarns used as reinforcement of cement based materials. It focuses on the mechanical interactions of these yarns, made of thousands of micrometric filaments, with a micro-concrete and on the specific part of the impregnation of the yarn by the cementitious matrix. Modulated impregnation conditions of the yarns were obtained by using three different manufacturing processes for the samples preparation. The impregnation of 5 multi-filament yarns by the cementitious matrix has been characterized and physical parameters of impregnation were determined using SEM investigations, mercury intrusion porosity measurements and specific tests of flow all along the embedded yarn. Classical pull-out tests have been used for the mechanical characterisation. The study of the links between the mechanical properties and the physical parameters of impregnation allowed accessing a better understanding of the filaments / cementitious matrix interaction micro-mechanisms, and explaining the macroscopic pull-out behaviour

L'utilisation de fibres végétales, tant dans le domaine de la plasturgie que dans celui du bâtiment, permet de réduire les émissions de gaz à effet de serre et par conséquent l'impact environnemental de l’Homme. L'intérêt envers les bio-composites utilisant des fibres végétales telles que le chanvre, le bois, le lin mais également le roseau miscanthus ne cesse d'augmenter. Il n'existe, à l'heure actuelle, que très peu de travaux s’intéressant au roseau phragmites australis. Pourtant, n'utilisant pas de surfaces cultivées, cette plante invasive est indépendante des enjeux agricoles et ne demande aucun intrant chimique. La récolte du roseau s'inscrit donc dans une démarche de gestion des zones humides tout en valorisant un matériau aux multiples propriétés. Les travaux de cette thèse sont consacrés à la caractérisation du matériau brut phragmites australis et à l’étude de son éligibilité comme matériau en substitution de trois matériaux de référence, le bois, le miscanthus et la chènevotte, largement utilisés comme renforts en plasturgie et en éco-construction. Des formulations de composites utilisant deux matrices polymères (polypropylène et polybutylène succinate) à différents taux de charges végétales et d’agent compatibilisant ont été caractérisées d’un point de vue de leurs propriétés mécaniques par des essais de traction, flexion et choc Charpy. Le vieillissement à l’eau de ces composites a également été étudié et corrélé au caractère hydrophobe du roseau. Pour le volet construction, des formulations à base de roseaux de différentes origines et utilisant différents liants (chaux aérienne, plâtre et terre) ont été testées en compression et avec des mesures de conductivité thermique afin d’évaluer le comportement du roseau en tant que matériau d’usage pour le bâtiment
The use of plant fibres, both in the field of plastics processing and in the building industry, makes it possible to reduce greenhouse gas emissions and therefore the environmental impact of mankind. Interest in biocomposites using plant fibres such as hemp, wood, flax and also miscanthus reed is increasing. Nowadays, there is very little work on the reed phragmites australis. However, as it does not use cultivated areas, this invasive plant is independent of agricultural issues and does not require any chemical inputs. The reed harvest is therefore part of a wetlands management approach while enhancing the value of a material with multiple properties. This work is devoted to the characterisation of the raw material phragmites australis and to the study of its eligibility as a substitute material of three reference materials, wood, miscanthus and hemp shiv, widely used as reinforcements in plastics processing and eco-construction. Composite formulations using two polymer matrices (polypropylene and polybutylene succinate) with different rates of plant fillers and coupling agent were characterised from the point of view of their mechanical properties by Charpy tensile, flexural and impact tests. The water ageing of these composites was also studied and correlated to the hydrophobic character of the reed. For the construction application, formulations based on reeds of different origins and using different binders (lime, plaster and earth) were tested in compression and with thermal conductivity measurements in order to evaluate the behaviour of the reed as a material for building use

Le travail développé dans cette thèse a pour but d’étudier le comportement hygrothermique de matériaux isolants bio-sourcés, et plus particulièrement les fibres de bois, le béton de chanvre, la laine de lin, la laine de mouton, le métisse® et les anas de lin. Ces matériaux, par essence naturels, présentent des spécificités liées à leur origine (animale ou végétale) et à leur structure (fibres, paille, matrice solide…). Leur porosité, très élevée, les rend réactifs aux variations d’humidité relative ambiante, ce qui peut impacter leurs performances thermiques et leur durabilité (comme pour tous les matériaux), mais également leur conférer des capacités de régulation. Dans un souci d’améliorer la connaissance de ces matériaux particuliers, nous proposons tout d’abord d’étudier l’impact causé par l’humidité sur leurs caractéristiques thermiques, principalement la conductivité thermique et la chaleur spécifique. Ensuite les caractéristiques hygrothermiques sont étudiées, ce qui permet de mieux comprendre les phénomènes dépendant des capacités d’adsorption, de désorption, de perméabilité ou de résistance à la vapeur d’eau. On se rend compte également de l’importance du gradient de température sur l’évolution des transferts hygriques au sein des matériaux. En plaçant les isolants bio-sourcés sous sollicitations aléatoires ou en conditions réelles d’utilisation, nous pouvons suivre leur comportement d’un point de vue expérimental. Le couplage à une approche numérique permet d’identifier les paramètres d’influence prépondérants, dans l’optique de la prédiction des transferts couplés chaleur/masse par une simulation dans des conditions particulières d’utilisation, comme la rénovation d’un habitat existant. On constate à partir de mesures in situ que ces matériaux ont une grande capacité d’adaptation à des environnements dont l’humidité relative est évolutive
The work developed in this thesis aims to study the hygrothermal behavior of bio-sourced insulating materials, and more particularly wood fibers, hemp concrete, linen wool, sheep wool, material made of textile recycling (metisse®) and flax shives. These materials, which are essentially natural, have specific characteristics linked to their origin (animal or vegetable) and their structure (fibers, straw, solid matrix, etc.). Their very high porosity makes them reactive to the relative humidity variations, which can affect their thermal performances and their durability (as for all materials), but also give them a regulation capacities. In order to improve the knowledge of these particular materials, first, we propose to study the impact caused by moisture on their thermal characteristics, mainly thermal conductivity and specific heat. Then the hygrothermal characteristics are studied, which makes it possible to better understand the phenomena depending on the capacities of adsorption, desorption, permeability or water vapor resistance. Also, we realize the importance of the temperature gradient impact on the evolution of the hygroscopic transfers within the materials. By placing the studied bio-sourced insulation materials under random loading or under real conditions, it will be possible to follow their hygrothermal behavior from an experimental point of view. The numerical approach makes it possible to identify the preponderant influence parameters, in the context of the prediction of coupled heat and mass transfers by simulation under particular conditions of use, such as the renovation of an existing habitat. On the basis of in situ measurements, it can be seen that these materials have a high adaptability to environments whose relative humidity is evolutionary

L’optimisation des performances énergétiques du bâtiment et la réduction des émissions de CO2 générées par le secteur de la construction sont devenus des enjeux majeurs. Il s’agit non seulement de réduire considérablement les consommations d’énergie liées au chauffage et à la climatisation durant la période de fonctionnement des bâtiments mais aussi de choisir des matériaux à faible impact carbone en privilégiant l’utilisation de ressources renouvelables et locales. Ces dernières années ont vu naître un intérêt croissant pour les bétons de chanvre. Ces agromatériaux associent un granulat végétal issu de la tige du chanvre avec un liant minéral. Il en résulte un matériau isolant qui présente une certaine efficacité à réguler les variations de température et d’humidité. Considérés comme multifonctionnels, les bétons de chanvre constituent une alternative écologique aux enveloppes traditionnelles. Face aux matériaux à isolation répartie comme le béton cellulaire ou la brique dont l’impact carbone est élevé, les bétons de chanvre présentent l’inconvénient d’être peu résistants mécaniquement et sont de ce fait associés à une structure porteuse. Ce travail de thèse s’inscrit dans une démarche visant d’une part à diversifier la ressource végétale utilisée pour la confection des agromatériaux de construction en développant un béton innovant incorporant les balles de riz de Camargue et d’autre part à étudier certains procédés dans l’optique d’améliorer les performances mécaniques de ces matériaux après les premiers mois de cure. Le premier objectif a consisté à caractériser la balle de riz naturelle préalablement à son association avec un liant à base de chaux. Les caractéristiques propres au granulat de balles de riz se sont traduites par la fabrication d’un agrobéton moins dosé en eau et de densité apparente plus élevée que celle du béton de chanvre (en restant inférieure à 800 kg.m-3). La conductivité thermique du béton à base de balles de riz s’est montrée similaire à celle du béton de chanvre pour un ratio massique « liant/granulat (L/G) » identique. En revanche, les performances mécaniques en compression se sont révélées plus faibles pour le béton à base de balles de riz après 1 mois de cure à 20°C et 50%HR.Le second axe de travail s’est porté sur le suivi temporel des caractéristiques mécaniques et du durcissement du liant jusqu’à 10 mois de conservation soit à 20°C et 50%HR soit en conditions extérieures. Les bétons de chanvre se sont caractérisés par un gain de résistance en compression plus favorable que celui observé sur les bétons de balles de riz malgré une cinétique de durcissement du liant équivalente. Cette conservation naturelle a été comparée à une cure en carbonatation accélérée (CO2). Les résultats ont montré que ce procédé a permis d’obtenir une résistance en compression 2 mois après la fabrication des éprouvettes équivalente à celle obtenue après 10 mois de conservation à l’extérieur. Considérant que la résistance mécanique du béton à base de balles de riz est limitée par la liaison mécanique liant/particule, ce travail s’est porté également sur l’effet d’un traitement des particules à l’eau de chaux saturée. S’il s’est montré inefficace pour le béton de chanvre, il a permis d’améliorer la résistance en compression des bétons à base de balles de riz.Enfin, cette étude a traité de l’effet d’une cure humide (95%HR) et d’une élévation de température (50°C) sur le durcissement du liant et l’acquisition des résistances mécaniques à court terme. L’étude a été préalablement menée sur des mortiers de chaux. Les résultats ont montré que ce type de cure permet une très forte augmentation de la résistance mécanique du liant après 28 jours par un effet cinétique sur les réactions d’hydratation. Toutefois, ces conditions de cure ont entrainé une perturbation de la zone de transition entre le liant et la particule et par conséquent une dégradation des propriétés mécaniques des agrobétons
The improvement of building energy efficiency and the reduction of CO2 emissions from the construction industry have become a major issue over the last years. We need to cut the energy consumption linked to heating and cooling of buildings during their operating period but also to choose materials with low carbon footprint using renewable and local resources.Hemp concretes are more and more used in green construction. These bio-based building materials consist of hemp-derived aggregates mixed with mineral binders and water. These concretes have attractive insulating properties and present some effectiveness in buffering variations of temperature and humidity in buildings. Considered as a multifunctional material, hemp concrete can offer an eco-friendly alternative to traditional building envelopes but have the disadvantage of being very low strength. Unlike cellular concrete or clay bricks, hemp concretes cannot be used as load-bearing materials but for infilling walls with a wood timber frame. The aim of this thesis work is, on the one hand, to diversify plant aggregates used for the manufacturing of bio-based concretes by developing an innovative material based on local rice husk from the Camargue area and on the other hand to investigate some processes in order to increase mechanical strength of these materials after the first months of curing. The first objective of this work was to characterize rice husks prior to incorporating them in a lime-based mix. Intrinsic features of rice husks led to the manufacturing of a new bio-based concrete designed with a lower water content and a higher apparent density than hemp concrete (by remaining below 800 kg.m-3). Thermal conductivity of rice husk concrete was comparable to that of hemp concrete for a given « binder on aggregates (B/A) » mass ratio. Nevertheless, mechanical performances in compression have proved lower for the rice husk concrete after one month of hardening at 20°C and 50%RH. The second line of the work dealt with the evolution of mechanical properties and binder hardening over time. Specimens were cured during 10 months either at 20°C and 50%RH or exposed outdoors. Hemp concrete exhibited a higher compressive strength gain over time than that achieved for rice husk concrete despite a same hardening kinetics. This curing under natural carbonation was compared to an accelerated one (CO2 curing). Accelerated carbonation provided the opportunity to obtain the same compressive after 2 months than that reached after the outdoor exposure during 10 months. Considering that compressive strength of rice husk concrete is restricted by the bonding strength between the binder and the aggregates, this work also focused on the effect of a lime-water treatment of plant aggregates. This latter was not efficient for hemp concrete but increased compressive strength of rice husk concrete. Finally, the effect of a moist curing (95%RH) and elevated temperature (50°C) on binder hardening and strength development of bio-based concretes was investigated. This aspect was also studied on lime-based mortars. The results showed that this type of curing led to a strong increase of mechanical strength for the binder after 28 days due to kinetic effects on hydration reactions. Nevertheless, these curing conditions were detrimental to the transition zone between the binder and the plant aggregates and consequently counterproductive for the mechanical performances of bio-based concretes

Ces travaux s'inscrivent dans une étude visant à modéliser le comportement des bétons de chanvre (BC) au moyen d'une approche micromécanique. Pour tenir compte des taux de porosité et de renfort élevés, une méthode de modélisation multi-échelle itérative est ici enrichie d'une technique de résolution numérique 3D. Ces calculs permettent de prendre en compte l'influence de la géométrie plaquettaire des inclusions ainsi que de leur orientation au sein du matériau liée à un éventuel compactage du béton. A titre illustratif, la méthode est ici mise en oeuvre pour décrire l'évolution du comportement thermique, mécanique élastique et non-linéaire des BC pour différents taux de compactage. On notera par ailleurs que les simulations réalisées tiennent compte de la non-linéarité de comportement de l'une des phases vis à vis du compactage tout en conservant des temps de calcul raisonnable. La bonne prédiction de l'anisotropie induite par l'organisation spatiale des inclusions est mise en avant par le biais de confrontations à des données expérimentales issues de la littérature
A multi-scale modelling technique is here improved with the aim of predicting the behaviour of hemp and lime concretes (HLC). The approach under consideration allows to take into account in a direct manner the microstructural richness of HLC by means of an iterative homogenisation scheme. HLC are indeed higly-filled materials with bar shaped particles and high porosity rates. The local problem of each homogenisation step is numerically solved through finite elements simulations providing thus an estimate of local fields and their fluctuations. The anisotropic behaviour of the material is also directly taken into account in a 3D context within reasonable CPU time. The nonlinear behaviour of one phase with respect to compaction is also accounted for. As an illustration the method is here put into practice to model the anisotropic behaviour of HLC. In order to validate the results thus obtained, the latter are eventually compared to external experimental data

Les matériaux à changement de phase (MCP) constituent une alternative prometteuse pour l'amélioration de l'inertie thermique des matériaux de construction. Grâce à leur chaleur latente, ces matériaux permettent de stocker des quantités importantes d'énergie thermique, ce qui permet de réduire la consommation d'énergie liée au chauffage et à la climatisation. Cependant, leur incorporation dans les matériaux cimentaires entraine une baisse de la résistance mécanique du nouveau matériau composite ainsi obtenu. Durant ces dernières décennies, les composites MCP/bétons ont suscité un grand intérêt conduisant à un grand nombre de travaux expérimentaux. Cependant, les modèles théoriques et numériques pour prédire les comportements de ces matériaux complexes sont aujourd'hui très peu développés en raison de la complexité du comportement thermique avec changement de phase, de la séparation d'échelle et de la difficulté que représente la prédiction de l'endommagement par fissuration à l'échelle des hétérogénéités microscopiques. L'objectif de cette thèse est précisément de développer des outils de modélisation numériques pour prédire le comportement thermomécanique effectif du matériau en vue de calculs de structures. Pour cela, des modèles numériques sont développés pour simuler le transfert de chaleur, le comportement mécanique, la fissuration ainsi que la fuite du MCP liquide à travers les fissures, à l'échelle d'un Volume Elémentaire Représentatif du matériau. Après avoir étudié les effets des changements de phase dans le MCP sur le comportement mécanique effectif, une approche multi-échelle (méthode EF²$) est proposée afin de réaliser des calculs de structures en tenant compte des phénomènes à l'échelle des micro capsules. Des caractérisations expérimentales thermo-physiques sont menées afin de prouver l'utilité des MCP dans les matériaux de construction et de faire des comparaisons avec les outils d'homogénéisation développés. Enfin, nous proposons une étude dans le but de comprendre et d'évaluer les effets du MCP dans la dégradation des propriétés mécaniques de ces nouveaux matériaux
A promising way to enhance thermal inertia of buildings is the use of phase change materials (PCMs). Thanks to their high latent heat, PCMs can be used to store a significant amount of thermal energy in order to reduce energy consumption related to air conditioning. However, their use leads to a decrease in the mechanical strength of the obtained composites. During the last decades, the incorporation of PCMs in concrete has been of great interest leading to many experimental works. However, theoretical and numerical models to predict the behavior of such complex materials are not developed so far, due to the complexity of the phase change behavior, the scale separation and issues associated to the damage which is mainly induced by microcracking at the scale of microstructural heterogeneities. The objective of this thesis is precisely to develop numerical modeling tools to predict the effective thermomechanical behavior of the material with aim of structural calculations. For this purpose, numerical tools based on microstructures at the scale of microencapsulated PCM are developed to simulate heat transfer, mechanical response, cracks propagation as well as leakage of liquid PCM through cracks. After studying the effects of phase changes in the PCM on the effective mechanical response of the composites, a multi-scale approach (FE² method) is proposed to carry out structural calculations taking into account phenomena at micro scale. Thermo-physical experimental characterizations are carried out to show the usefulness of PCMs in building materials and to make comparisons with the developed homogenization tools. Finally, we propose a study to understand and evaluate the effects of PCMs in the degradation of the mechanical properties of these new materials

Pour les panneaux de grande hauteur soumis à un fort gradient thermique associé à l’incendie, ils subissent des déplacements hors plan importants qui, du fait de l’excentrement du poids propre qui en résulte, vont engendrer des efforts de flexion venant s’ajouter aux efforts de compression déjà existants. Un tel changement de géométrie, d’autant plus prononcé que le panneau est de grande hauteur, combiné à une dégradation simultanée des propriétés de résistance des matériaux sous l’effet de l’élévation de température, peut conduire à un effondrement de la structure sous poids propre. L’évaluation de la résistance au feu d’éléments de structures de grandes dimensions, repose sur la théorie du calcul à la rupture, appliquée d’une part à la détermination d’un diagramme d’interaction au feu caractérisant la résistance du panneau en chacune de ses sections, d’autre part à l’analyse de la ruine globale du panneau dans sa configuration déformée. Le programme comporte deux volets complémentaires. Le premier volet concerne l’approche expérimentale. Un mur de 9 mètre a été testé sur le grand équipement Vulcain afin de valider le modèle de calcul d’une part, qui est en cours du développement, et à identifier des phénomènes locaux éventuels non accessibles par la modélisation d’autre part. Le deuxième volet concerne le développement d’outils de modélisation et de calcul performants. Basées sur une approche cinématique, des procédures itératives qui se reposent sur la méthode de perturbation ont été construit pour chercher une solution analytique pour prédire la configuration déformée d’une plaque soumis à un fort gradient thermique. Ensuite, des méthodes numériques fondées sur la discrétisation en éléments finis du panneau déformé, traité comme une coque à faible courbure, et l’utilisation de techniques d’optimisation non-linéaires, qui ont connu récemment des progrès importants, devront pouvoir être développées et appliquées à ce problème
High rise reinforced concrete walls under fire exhibit important out-of-plane displacements, which in turn lead to an eccentricity of the self-weight with respect to the initial undeformed configuration, resulting in supplementary bending moments. This geometrical change, combined with the degradation of the stiffness and strength properties of reinforced concrete due to severe temperature increase, may lead to the failure of walls under fire.Investigation on fire resistance of reinforced concrete walls will be based on the yield design approach in order to analyze the global stability of high rise walls, taking into account the geometry changes induced by the thermal loading.The program consists of two parts.Firstly, a 9-meter high reinforced concrete wall has already been tested under fire with the equipment Vulcan. This full size experiment aims at validating the modeling of plates under large out-of-plan displacement and identifying potential local phenomenon which has not been considered in the model.Secondly, a yield design approach will carried out to analyze the stability of reinforced concrete walls. By using the perturbation method, a recursive analytical procedure based on a kinematic approach is proposed to find the deformed configuration of reinforced concrete walls under fire. The deformed configuration will be later modeled as a shallow shell, on which a yield design procedure will be performed by a non-linear optimization