temps : Béton de chanvre et composites à fibres de lin des différents constituants des matériaux et des conditions de mise en œuvre Spécificités des différentes phases Traitements

Matériaux biosourcés à l’épreuve du

temps : Béton de chanvre et composites

à fibres de lin

Sandrine Marceau – Laetitia Van Schoors

Le rendez-vous des écomatériaux 17-18 octobre 2017 - Asbestos Canada

IFSTTAR

1077 agents

100 M€ de budget

6 sites principaux et 3 antennes en France

Plus de 50 équipements scientifiques

remarquables

500 thèses soutenues depuis la création de

l’institut

100 brevets actifs

360 contrats de recherche en cours

Chiffres 2016

Chiffres clés

Institut Français des Sciences et Technologies des Transports, de l‘Aménagement et des Réseaux


2

IFSTTAR

Missions

PRODUIRE

DIFFUSER

VALORISER

Recherche

finalisée

Expertise

et Conseil

Transfert

d’innovation

Certification

Normalisation

Doctrine

technique

Diffusion de

connaissances

Formation

Les grands domaines d’intervention

MULTIDISCIPLINARITÉ

Sciences Pour l’Ingénieur

Sciences Humaines et Sociales

Sciences de la Vie

Le génie civil et les matériaux de

construction

Les risques naturels

La mobilité des personnes et des biens

Les systèmes de transport et leur

sécurité

Les infrastructures et leurs impacts

Institut Français des Sciences et Technologies des Transports, de l‘Aménagement et des Réseaux


3

Matériaux en vue de réduire leur impact environnemental et sanitaire

Création en juin 2016 d’un Laboratoire International Associé

Un laboratoire sans mur

Tous les membres des 2 institutions impliquées resteront affectés à leur

laboratoire d’origine (~ 40 professeurs et chercheurs)

Etudier les propriétés de ces nouveaux matériaux pour une utilisation pérenne

dans le secteur de la construction

Par une approche multi-échelle

Moléculaire, microstructurale, macroscopique et à l’échelle de la structure

LIA Ecomat - Eco-matériaux pour les infrastructures et le bâtiment


4

Contexte

Importance du secteur du bâtiment

dans la consommation d'énergie en

France

Impact des matériaux de construction

de plus en plus important

Part de plus en plus importante des

matériaux avec la réduction des

consommations énergétiques

Besoin d'utiliser des matériaux

plus économes en énergie et en ressources

Contexte Composites Isolants végétaux Perspectives

5

Contexte

Matériau biosourcé : issu totalement ou partiellement du

vivant, d'origine animale ou végétale

Avantages :

Stockage temporaire de carbone

Utilisation de ressources renouvelables et locales

Valorisation de déchets et/ou co-produits

Légèreté

Freins

Manque de recul sur l'évolution des propriétés à long terme

Sensibilité à l'humidité? Possibilité de développement fongique?

Nécessité d'étudier et de garantir

les propriétés à long terme de ces matériaux


6

Domaines d'utilisation des matériaux biosourcés

Développement d'une large gamme de matériaux biosourcés pour de multiples

applications

Matériaux de structure

Isolation

Renforcement

Colles

Peintures…

dans le bâtiment et la construction

Panneaux de porte

Plage arrière

Planche de bord

…..

dans l’automobile


7

Evaluation de la durabilité des matériaux biosourcés

Historique :

Dégradation des plaques fibro-ciment où les fibres

d'amiante ont été remplacées par de la cellulose

Consommation des fibres de cellulose par des

microorganismes

Peu d'études sur le vieillissement des matériaux biosourcés

Souvent des études sur l'évolution des propriétés mécaniques


8

Evaluation de la durabilité des matériaux biosourcés

Deux types de matériaux étudiés :

Composites à matrice

organique renforcée par des

fibres végétales

Matériaux isolants contenant

des granulats végétaux

Matrice polymère+

fibres de lin

Liant minéral +

granulats de

chanvre

Propriétés thermiques et acoustiques

Comportement hygrothermique

Propriétés mécaniques, légèreté

Propriétés anti-vibrations


9

Evaluation de la durabilité : méthodologie générale

Echelle matériau

Vieillissement

accéléré

Echelle de la structure

Vieillissement

naturel

Compréhension et validation des

mécanismes de vieillissement

Prédiction de la durée de vie

Comparaison avec d'autres

matériaux utilisés

traditionnellement pour ce type

d'application

Caractérisations multi-échelles Propriétés chimiques et physico-chimiques

Microstructure

Propriétés mécaniques, thermiques et acoustiques


10

Protocoles de vieillissement accéléré

Prise en compte des facteurs pouvant entraîner la dégradation des matériaux

Température

Eau, humidité

Développement fongique

Définition de protocoles de vieillissement accéléré en laboratoire

Inoculation par des microorganismes pour

favoriser le développement fongique

Immersion ou humidification/séchage

0 20 40 60 8020

40

60

80

100

Hu

mid

ité

re

lative

(%

)

Temps (jours)

Humidité relative

10

20

30

40

50

Température

Te

mp

éra

ture

(°C)


11

Compréhension du vieillissement

Connaissance des différents constituants des matériaux et des conditions

de mise en œuvre

Spécificités des différentes phases

Traitements particuliers

Température, temps, hygrométrie lors de la mise en œuvre

Identifier le rôle et l’impact des différentes phases des matériaux sur leur

comportement dans le temps

Etude des évolutions des caractéristiques des matériaux multiphasés

Etude des différentes phases prises indépendamment

Contexte Isolants végétaux Perspectives Composites

12

Composites à base de fibres de lin : application automobile

peau

âme

Développement de peau de Matériaux Sandwich – domaine automobile-

planche de coffre

Optimisation du procédé de composites à base de fibres de lin • Cahier des charges:

Modules > 30GPa

Contrainte à la rupture >310MPa

Pas de traitement préalable des fibres

Limiter le temps de mise en œuvre

Prendre en compte les points faibles des fibres : stabilité thermique

limitée et forte hydrophilie

Matériaux choisis : Résine époxyde – Fibre de lin : Multicouches


13


Optimisation du procédé de composites à base de fibres de lin

• Mode de mise en œuvre : thermocompression

Paramètres étudiés

• Pré-conditionnement des fibres

• Température de cuisson,

• Vitesse de refroidissement,

• Température de sortie de presse,

• Température et temps de post-cuisson,

• Pression


14

Définition de protocoles de vieillissement accéléré en

laboratoire

Cycle humidification séchage 1 cycle = 1 semaine

Caractéristiques mécaniques du composite (0°)


0 2 4 6 8 100

20

40

60

80

100

120

Vieillissement (semaines)

Module

E n

orm

alis

é0

20

40

60

80

100

120

Résis

tance m

écaniq

ue n

orm

alis

é

0 2 4 6 8 100

20

40

60

80

100

120

Vieillissement (semaines)

Module

E n

orm

alis

é

0

20

40

60

80

100

120

Résis

tance m

écaniq

ue n

orm

alis

é

Pas d’évolutions chimiques, microstructurales, morphologiques significatives

Comportement différent pour le composite à 90°

Caractéristiques mécaniques des fibres


15

Composites à base de fibres de lin : application bâtiment

Développement de composites – Applications bâtiment – Lames de terrasse

Matériaux modèles

• Cahier des charges :

Matériaux à faible coût

Pas de traitement spécifique

Mise en œuvre rapide

Prendre en compte les points faibles des fibres : forte hydrophilie

granulat PE/lin

fibres arrachage- rouissage 3mm

injection


16

PE pas de prise d’eau

Prise d’eau proportionnelle au % de fibre et

réversible

Agent de couplage limite absorption d’eau,

phénomène irréversible


Définition de protocoles de vieillissement accéléré en

laboratoire

Cycle immersion à 30°C puis séchage

PE PE+ 18% massique de fibres de lin PE + 38% massique de fibres de lin PE + 42% massique de fibres de lin + A.C.

Conséquences sur les propriétés mécaniques ?


17


s : pas d’évolution significative quels que soient le

matériau et le temps de vieillissement

E : E en fin d’absorption < Et0→ plastification par l’eau

E en fin de désorption ≈ Et0→ pas d’évolution chimique


18


Croissance de micro-organismes

VIEILLISSEMENT BIOLOGIQUE - 96% H.R. - 30°C 90 JOURS

Conditions stériles

Lavage à

l’éthanol

+

UV 30 min

0

10

60

80

100

120

s n

orm

alis

ée

Conditions

inoculées

Conditions

stériles

0

10

60

80

100

120

E n

orm

alis

é

Conditions

inoculées

Conditions

stériles

Conditions

inoculées :

Suspension de

1,4×104 UFC.ml-1

s : peu d’impact

E : diminution – Consommation de

cellulose


19


Valorisation des résidus végétaux pour la fabrication de composites biosourcés

Ressources locales en France et au Canada

Canada : cultivé pour la graine

France : cultivé pour la fibre longue

Partiellement exploités : résidus (fibres courtes, anas)

Composites : matrice biosourcée + résidus de lin

BLOCS DE PAREMENT DE FACADE

Optimisation

du procédé Caractérisation

Vieillissement

Comportement

dans le temps PROTOTYPE


20

Matériau d'isolation des bâtiments : béton de chanvre

Formulation :

granulats de chanvre (chènevotte)

phase minérale (chaux aérienne et/ou hydraulique, pouzzolanes naturelles,

ciment…)

eau

Isolants végétaux Composites Perspectives Contexte

21

Confort hygrothermique et acoustique

Granulats de chanvre : la chènevotte

►Microstructure poreuse

►Forte hydrophilie

Composites Perspectives Contexte

22

Isolants végétaux

Béton de chanvre

Formulations selon les règles de construction de Construire en chanvre (2012)

Toiture

Mur

Sol


23

Isolants végétaux

Retours d'expérience sur les bétons de chanvre

Principaux désordres constatés :

Apparition de moisissures sur les ouvrages

Pendant les chantiers et après réception

Problèmes de temps de séchage et ventilation

Séchage des murs, pulvérulence du matériau à cœur

Choix des formulations, dosage en eau…

Caractéristiques des matériaux

Pénétration d'eau dans les parois

Microfissuration/fissuration des enduits de finition

Origine des désordres souvent liées à la conception et au chantier

Désordres moins fréquents depuis la mise en place des règles

professionnelles

AQC : Matériaux biosourcés, 12 enseignements à connaître (nov. 2016)


24

Isolants végétaux

Durabilité des composites matrice minérale/fibres végétales

Contraintes environnementales : variations de température et d'humidité

Variations dimensionnelles différentielles

évolution de la microstructure liée à la carbonatation du liant

Développement potentiel de microorganismes ?

Impact sur les propriétés fonctionnelles ?

Interactions fibres végétales/matrice minérale

Précipitation de la portlandite

dans la porosité des particules

Attaque alcaline de la paroi végétale Retard de la prise du liant

Décohésion des interfaces

Thèse de Guillaume Delannoy (2015 – 2018)


25

Isolants végétaux

Fabrication des éprouvettes

Malaxage Compactage

Masse volumique

à l’état frais :

530 ± 16 kg.m-3

Fabrication : formulation mur, 2 types de liants

Durcissement : 3 mois de cure à 20°C/65% HR

Masse volumique après séchage :

BC-FC : 348 ± 10 kg/m-3

BC-CN : 350 ± 10 kg/m-3

Pas d'influence du liant sur la masse volumique


26

Isolants végétaux

Protocoles de vieillissement accéléré

Conditions extérieures

90 jours 20°C /

65% HR

Séchage Vieillissement des matériaux

1 3 6 12 18 24 mois

Référence : 20°C/65%HR Inoculation par des

microorganismes pour

favoriser le

développement

fongique

Cycles

d'humidification/séchage


27

Isolants végétaux

Influence des cycles d'humidification/séchage…

Sur la conductivité thermique

Méthode : HOT DISK

25ºC, état sec

REF H/S

Références : l stable

Cycles H/S : augmentation

pendant 6 mois, puis stable?

Lien avec la microstructure?


28

Isolants végétaux


Sur les propriétés acoustiques

Méthode : Tube de Kundt

25ºC, état sec

Pas d'influence des cycles d'humidification/séchage


29

Isolants végétaux


Sur les propriétés mécaniques

Forte variabilité des résultats

Influence des cycles H/S?

Faibles valeurs de résistance mécanique

Résultats identiques pour les deux liants

Référence Cycles H/S

Influence des extractibles de la

chènevotte sur la prise du liant?


30

Isolants végétaux

Interactions liant minéral / extractibles des végétaux

Les réactions d'hydratation des liants peuvent être ralenties, voire inhibées par les

extractibles des végétaux

Utilisation d'une méthode colorimétrique pour quantifier les sucres réducteurs

extraits de la chènevotte

Extraction dans l'eau Filtration

CH1 CH2

Etude en cours…


31

Isolants végétaux

37% des habitations présentent un développement de micro-organismes liés à la

présence d’humidité et/ou d’infiltration (ADEME 2015)

Présents potentiellement sur tous types de matériaux : béton, papier peint, peinture,

bois…

Problèmes sanitaires (allergènes, qualité de l'air intérieur) et esthétiques

Problématique :

Quelles sont les conditions favorables au développement fongique?

Quel est l'impact des moisissures sur les propriétés du matériau?


Présence des micro-organismes dans l’habitat français

www.travaux.com Solroc.com http://www.nrc-cnrc.gc.ca/


32

Isolants végétaux


Etudes antérieures : conditions d'apparition des moisissures

Rôle du pH du liant

Humidité relative >90%

Marceau et al., Construction and Building Materials, 2017

Les microorganismes sont présents naturellement sur la chènevotte brute

50 µm 50 µm

Quelle est l'origine des moisissures qui se développent sur les

bétons de chanvre : chènevotte ou contamination aérienne?


33

Isolants végétaux


Méthodologie : quantification des souches vivantes dans la chènevotte

brute et dans les bétons de chanvre, 2h et 48 heures après la fabrication

Chènevotte brute Bétons de chanvre

2 heures après la fabrication

2h

Hemp concrete

48

h

Les microorganismes sont capables

de résister au pH basique du liant

frais


34

Isolants végétaux


Influence sur les propriétés des bétons de chanvre?

50 µm 200 µm 20 µm

Hyphes dans les

cellules végétales

Attaque des parois

végétales Apparition de porosités

dans les parois

Augmentation de la porosité intraparticulaire

Influence sur les propriétés des matériaux? Étude en cours…


35

Isolants végétaux

Durabilité des bétons de chanvre : perspectives

Caractérisation des propriétés pendant les 24 mois de vieillissement

Impact du vieillissement à l'extérieur? Du développement fongique?

Lien avec la microstructure?


36

Isolants végétaux

V0 12m Ext

Perspectives

"Mini-ville communicante" : un espace de R&D de 250 m² dédié aux innovations

technologiques pour la Ville Durable

Chambre climatique pour des expérimentations sous atmosphère contrôlée

Prototypage puis validation des solutions de mesure qui rendront nos villes plus

durables

1 2

37

Perspectives Composites Contexte Isolants végétaux

Perspectives

Construction d'un démonstrateur en matériaux biosourcés

Objectif principal : valider l'intérêt d'utiliser des matériaux biosourcés pour

l'habitat par des données expérimentales :

Confort thermique/hygrothermique

Confort acoustique

Qualité de l'air intérieur…

Données sur l'évolution des performances avec le temps…

Livraison Sense-City : Printemps 2017

Construction de la maquette : Hiver 2017-2018

Début des expérimentations : Avril 2018


38

Les matériaux biosourcés à l'épreuve du temps


39

Ifsttar : Laetitia Van Schoors, Sandrine Marceau, Marielle Guéguen-Minerbe, Fabienne Farcas

Sandrine Moscardelli, Issam Nour, Dinarzed Diafi

Hajer Rabii, Guillaume Delannoy, Thomas Cadu, Amélie Arnoult

Cerema (Strasbourg) Philippe Glé, Etienne Gourlay

IFREMER (Brest) Peter Davies

ISAT (Nevers) Stéphane Fontaine, Olivier Sicot

Université Clermont-Auvergne (Clermont-Ferrand) Sofiane Amziane

Université de Sherbrooke Mathieu Robert

Documents

temps : Béton de chanvre et composites à fibres de lin des différents constituants des matériaux et des conditions de mise en œuvre Spécificités des différentes phases Traitements