Caractérisation et optimisation multiphysiques d'une paroi bicouche bio et géosourcée

Secteur clé dans la lutte contre le réchauffement climatique et dans la transition énergétique, le domaine du bâtiment doit prioritairement repenser et transformer son activité. L'utilisation de matériaux premiers et biosourcés permet, entre autres, de répondre efficacement à ces enjeux environnementaux. Ils participent à la préservation des ressources naturelles et à la diminution des consommations de matières premières d'origine fossile par valorisation de déchets ou coproduits renouvelables ainsi qu'à la limitation des émissions de gaz à effet de serre et à la création de nouvelles filières économiques. Dans ce contexte, le travail de thèse réalisé vise à proposer une solution constructive bio et géosourcée à faible impact environnemental. Ainsi, un matériau d'isolation thermique répartie en béton végétal, utilisé en remplissage d'une structure porteuse, est considéré ici. Pour la formulation de béton léger, le potentiel de deux agroressources, le maïs et le tournesol, est évalué. Ces granulats disponibles localement sont considérés en remplacement de la chènevotte de chanvre, couramment utilisée mais plus faiblement disponible. Ils sont alors associés à un liant. Deux matrices minérales différentes sont utilisées dans l'étude : une chaux formulée et un liant pouzzolanique. L'exploration de la microstructure des matériaux composites et de leurs composants, ainsi que l'étude des interactions entre les différentes phases permettent une compréhension des performances hygrothermiques et mécaniques des matériaux développés. La plus forte porosité ouverte des composites à base de liant pouzzolanique confère aux agrobétons une capacité tampon hygrique supérieure à celle des matériaux à base de chaux formulée. Par ailleurs, les hydrosolubles de maïs ont un effet délétère sur la prise et le durcissement du liant, compromettant ainsi le comportement mécanique du béton végétal durci qui est alors incompatible avec son utilisation en construction. Au regard des propriétés d'usage, la formulation à base de liant pouzzolanique et de granulats de tournesol apparaît donc comme étant la plus satisfaisante. Rarement laissés à l'état brut dans un bâtiment, ces agrobétons sont recouverts d'un enduit susceptible d'altérer les performances hygrothermiques de la paroi. La deuxième partie du travail de thèse consiste à évaluer et optimiser les performances d'un enduit de finition en terre crue. Dans ce type d'enduit, le rôle de liant est joué par la fraction argileuse contenue dans la terre. Cette propriété colloïdale peut s'accompagner de variations volumiques importantes en fonction de l'état hydrique du matériau et de la nature minéralogique des argiles, pouvant conduire à une fissuration de l'enduit au séchage. Or, c'est également cette fraction argileuse, responsable de la capacité tampon hygrique des enduits terre, qui vise à être maximisée. Dans une recherche d'amélioration de la cohésion de la terre, de diminution de sa sensibilité à l'eau et d'optimisation de sa capacité tampon hygrique, une large variété d'adjuvants organiques (d'origine animale ou végétale) a été testée en association avec quatre terres de natures minéralogiques distinctes. Le potentiel des fibres de lin et du carbonate de glycérol dans la stabilisation des enduits en terre est ainsi mis en évidence. Associés, ces deux adjuvants permettent la formulation d'un enduit terre riche en argile, à la capacité tampon hygrique élevée et ne présentant aucun défaut de fissuration et une adhérence suffisante à son support d'application. L'assemblage des deux matériaux aux performances hygrothermiques optimisées fait l'objet d'une dernière phase de travail. À partir des données expérimentales obtenues lors de la caractérisation de chaque couche, une étude numérique permet de prédire le potentiel d'atténuation des variations hygriques intérieures de la paroi bicouche développée. Ces résultats, confortés par des mesures expérimentales, attestent de l'excellente capacité tampon hygrique de la paroi.As a key sector in the fight against climate change and in the energy transition, the building industry must re-think and transform its activity. The use of raw and bio-based materials can help to respond to this environmental challenge effectively, enabling natural resources to be saved thanks to the recovery of agricultural waste and by-products, the consumption of fossil raw materials to be reduced, greenhouse gas emissions to be limited, and new economic sectors to be created and developed. In this context, this thesis research project aims to develop a constructive bio- and geo-based solution with low environmental impact. A thermally self-insulating vegetal concrete, used to fill a load-bearing structure, is considered. For the mix design of this lightweight concrete, the potential of two agricultural by-products, maize and sunflower, is evaluated. These two locally available aggregates are considered as substitutes for hemp shiv, which is currently the most commonly used of such products even though little is available. They are then mixed with a binder. Two mineral matrices are considered in the study: a lime-based preformulated binder and a metakaolin-based pozzolanic binder. The exploration of the microstructure of both vegetal concretes and their components, together with studies of the chemical interactions between the lignocellulosic particles and the mineral binder, provide a better understanding of the hygrothermal and mechanical performances of the bio-based materials developed. The very open and interconnected pore structure of pozzolanic-based composites is responsible for their higher moisture buffering capacity than those obtained with lime-based materials, while the water-soluble components of maize disturb the setting time and the mechanical behaviour of mineral binders after hardening, thus preventing the use of maize-based concrete in construction. From the standpoint of suitability for use, pozzolanic binder and sunflower bark chips appear to be the most promising combination of raw materials for designing a hygrothermally and mechanically effective bio-aggregate based concrete. In practice, vegetal concrete walls are rarely left uncoated in a building. The presence of wall coating is likely to influence the hygrothermal behaviour of the wall. The second part of the thesis work consists of evaluating and optimising the performances of an unfired earth-based finish coating. In this type of plaster, the clayey phase ensures the global cohesion of the material by acting as a binder for the sand grain skeleton. Depending on the water state of the material, more or less affected by the soil mineralogical composition, clay can induce drying shrinkage of the mortar, leading to cracking of the plaster. However, the clayey phase also ensures the sorption capacity and, hence, the moisture buffering capacity of the plaster, which needs to be maximized. A wide variety of organic additives and admixtures has been tested in association with four distinct mineralogical earths to address issues such as mechanical resistance and drying shrinkage in earthen building materials. The potential of flax fibres and glycerol carbonate in the stabilization of earthen plasters is thus highlighted. Combined, these two admixtures allow a clay-rich earth plaster to be formulated, which possesses a high capacity to moderate ambient hygric variations, leads to no cracking defects, and exhibits sufficient adhesion to its application support. The assembly of the two materials with optimised hygrothermal performance is the subject of a final phase of work. From the experimental data obtained during the characterisation of each layer, a numerical study enables the bilayer wall moisture buffering capacity to be predicted. These results, supported by experimental measurements, attest to the excellent moisture buffering capacity of the wall