Le secteur de la construction devrait reconsidérer ses activités en raison de ses impacts négatifs sur l'environnement. L’usage de matériaux de construction biosourcés comme les agrobétons a été proposé depuis une vingtaine d’années pour améliorer le bilan environnemental peu flatteur de ce secteur. Le béton de chanvre est le matériau le plus étudié dans le domaine. Cependant, les chènevottes de chanvre utilisées pour leur fabrication ne sont pas les agroressources les plus disponibles dans le Sud-Ouest de la France.
Au regard de ce contexte, et en partenariat avec une entreprise de recherche et développement agricole, Ovalie Innovation, l’objectif de cette thèse est de mettre en place des protocoles de caractérisation adéquats pour les granulats végétaux utilisables dans la construction, et ce afin d’évaluer le potentiel de ces co-produits agricoles locaux, de formuler des blocs de bétons végétaux préfabriqués, et de relier les propriétés d’usage des composites à celles des matières premières entrant dans leur formulation.
Neuf granulats locaux et une chènevotte, étudiée comme granulat de référence, ont été soumis à une série de caractérisations chimiques, multi-physiques et mécaniques proposées ou adaptées à partir des recommandations existantes dans la littérature. Ces neuf granulats sont les anas de lin oléagineux, la moelle et l’écorce de la tige de tournesol, la paille de coriandre, la paille de blé, les menues pailles de blé, les spathes de maïs, la tige de miscanthus et les sarments de vigne. Pour les caractérisations chimiques, il a été montré que la quantité d’hydrosolubles à pH 12 est plus pertinente que celle à pH 7 pour évaluer l’effet néfaste de ces constituants sur les composites avec des liants réactifs. En ce qui concerne les caractérisations physiques, le plan d’expériences mis en œuvre a permis de valider les diverses méthodes de détermination des masses volumiques et des porosités intra et interparticulaires, de la masse volumique compactée à l’état humide puis séchée et de l’absorption réelle d’eau après compaction qui se sont avérées être de bons paramètres de formulation des composites. Le comportement mécanique à la compression des empilements des granulats végétaux a permis de distinguer deux familles de granulats selon la rupture ou la rigidification de l’enchevêtrement des particules.
A l’issue de la fabrication des composites formulés à partir des paramètres précédemment définis, leurs propriétés d’usage, thermiques et mécaniques, ont été évaluées. Deux séquences de malaxage et deux types de liants minéraux ont également été étudiés. La conductivité thermique des composites est influencée par la masse volumique compactée, la porosité particulaire et la conductivité thermique des granulats mais elle n’est pas affectée par la séquence de malaxage ni par le type de liant. Les performances mécaniques en compression et en flexion des composites sont influencées simultanément par la quantité d’hydrosolubles, la taille, la masse volumique compactée et la performance mécanique des granulats. Au vu de ces propriétés d’usage, la chènevotte de référence, les anas de lin oléagineux, la moelle et l’écorce de tournesol ont été retenus et combinés avec trois types de liant pour une étude plus approfondie. Les microstructures poreuses des granulats et des composites formés ont été explorées afin de les relier aux performances hygrothermiques et mécaniques des composites.
Les travaux réalisés dans le cadre de cette thèse contribuent à l’établissement d’un référentiel de caractérisation des agro-ressources applicable aux différents co-produits agricoles disponibles dans chaque région. L’usage de matières premières disponibles localement constitue en effet un paramètre prépondérant de l’impact environnemental des matériaux de construction biosourcés. Afin de compléter ce référentiel de caractérisation, des travaux additionnels concernant l’Analyse de Cycle de Vie (ACV) des granulats végétaux seront donc nécessaires. |
The building industry should reconsider its activities, due to its negative environmental impacts. The use of bio-based construction materials such as bio-aggregates based concretes, known for their insulating property and their capacity to regulate indoor humidity, has been proposed for twenty years to improve the less-than flattering environmental record of this sector. Hemp concrete is the most studied material in this field. However, hemp shives are not the most available agroresources in southwestern France.
In view of this context, and in partnership with an agricultural research and development company called Ovalie Innovation, the objective of this thesis is to set up relevant characterization methods for the plant aggregates that can be used in construction, in order to assess the potential of these local agricultural co-products, to allow the formulation of prefabricated vegetal concrete blocks, and to correlate the use properties of the composites to those of the raw materials used in their formulation.
Nine local aggregates and a hemp shiv, chosen as reference aggregate, were subjected to a series of chemical, multi-physical and mechanical characterizations proposed or adapted from existing recommendations in the literature. These nine local aggregates are flax shiv, sunflower pith and bark from stalk, coriander straw, wheat straw, wheat chaff, corn shuck, miscanthus stem and vine shoot. For chemical characterizations, it has been shown that the amount of water-solubles at pH 12 is more relevant than that at pH 7 to assess the detrimental effect of these constituents on composites with reactive binders. With regard to the physical characterizations, the implemented experimental plan allowed to validate the various methods of determination of the densities and intra and interparticle porosities, the dry density of aggregates compacted in wet state and the real water absorption after compaction which have been proven to be good formulation parameters for composites. The mechanical behavior in compression of the stacks of plant aggregates allowed to identify two families of aggregates depending on the rupture or the stiffening of the entanglement of the particles.
After the manufacture of composites formulated from previously defined parameters, their thermal and mechanical use properties were evaluated. Two mixing sequences and two types of binder were also studied. The thermal conductivity of the composites is influenced by the dry density compacted in wet state, the particle density and the thermal conductivity of the aggregates but it is not affected by the mixing sequence or the binder type. The mechanical performance in compression and flexion of composites is influenced simultaneously by the amount of water-solubles, the size, the dry density compacted in wet state and the mechanical performance of the aggregates. In view of these use properties, the reference hemp shiv, flax shiv and sunflower pith and bark were selected and combined with three types of binder for further study. The porous microstructures of aggregates and composites have been explored in order to relate them to the hygrothermal and mechanical performances of the composites.
The work carried out within the framework of this thesis contributes to the establishment of a benchmark for the characterization of agroresources workable to the various agricultural co-products available in each region. The use of locally available raw materials is indeed a major parameter of the environmental impact of bio-based construction materials. In order to complete this characterization benchmark, additional work on the Life Cycle Analysis (LCA) of plant aggregates will therefore be necessary. |