Bétons de granulats de bois

231 Pages·2017·15.14 MB·French

by  Abdessamad Akkaoui

Bétons de granulats de bois: étude expérimentale et
théorique des propriétés thermo-hydro-mécaniques par
des approches multi-échelles
Abdessamad Akkaoui
To cite this version:
Abdessamad Akkaoui. Bétons de granulats de bois: étude expérimentale et théorique des propriétés
thermo-hydro-mécaniques par des approches multi-échelles. Matériaux. Université Paris-Est, 2014.
Français. ￿NNT: 2014PEST1169￿. ￿tel-01162671￿
HAL Id: tel-01162671
https://pastel.archives-ouvertes.fr/tel-01162671
Submitted on 11 Jun 2015
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UNIVERSITÉ PARIS-EST
ÉCOLE DOCTORALE SCIENCE INGÉNIERIE ET ENVIRONNEMENT
THÈSE
présentée pour l’obtention du diplôme de
DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ PARIS-EST
Spécialité : Génie Civil
par
Abdessamad AKKAOUI
Sujet de la thèse :
Bétons de granulats de bois :
Étude expérimentale et théorique des propriétés
thermo-hydro-mécaniques par des approches
multi-échelles
Thèse dirigée par Mme Sabine CARÉ
et co-encadrée par M. Matthieu VANDAMME
Laboratoire Navier (UMR CNRS - IFSTTAR - ENPC)
Soutenue le 7 novembre 2014 devant le jury composé de :
Rapporteurs : Dr. Farid BENBOUDJEMA
Pr. Hélène DUMONTET
Examinateurs : Pr. Michèle T’KINT
Dr. Gilles CHANVILLARD
Pr. Khaled LAHLOU
Dr. Matthieu VANDAMME
Directeur de thèse : Dr. Sabine CARÉ

Avec un énorme plaisir, un cœur ouvert et une immense joie, que je dédie mon travail :
À mes très chers, respectueux et magnifiques parents qui m’ont soutenu tout au long de
ma vie, ainsi qu’à mes sœurs et frères,
À toute ma famille,
À tous mes amis,
À toute personne qui m’a encouragé ou aidé au long de mon parcours académique.
“Ce n’est pas parce que les choses sont difficiles que nous n’osons pas, mais parce que
nous n’osons pas qu’elles sont difficiles.”
Sénèque
Remerciements
Louange au tout Miséricordieux, Seigneur de l’univers, pour Ses bienfaits indénombrables.
Cette thèse a été financée par le Ministère de l’Écologie, de Développement Durable et
de l’Énergie et effectuée au sein du laboratoire Navier (UMR ENPC, IFSTTAR, CNRS) à
l’École des Ponts ParisTech, dans l’équipe MSA (Matériaux et Structures Architecturés).
Jesouhaiteremerciertouteslespersonnesquiontcontribuéàl’aboutissementdecetravail.
Je tiens à témoigner toute ma gratitude à mes encadrants de thèse pour l’expérience
enrichissante qu’ils m’ont fait vivre durant ces trois ans de thèse, pour leur confiance et
leurs encouragements, ainsi que pour les échanges fructueux que nous avons eus pendant
nos réunions d’avancement régulières. Je remercie chaleureusement Sabine Caré d’avoir
dirigé ce travail, d’être toujours disponible et généreuse en terme de conseils scientifiques
précieux, notamment pour la partie expérimentale. Je remercie également et très sincère-
ment Matthieu Vandamme pour m’avoir proposé de travailler avec lui, pour ses idées
brillantes, en particulier en terme de modélisation, pour la clarté de ses explications et
pour sa gentillesse.
J’adresse mes remerciements à l’ensemble des membres de mon jury pour avoir accepté
d’évaluercetravail, ainsiquepourleursremarques, questionsetsuggestionsconstructives.
Merci à Michèle T’Kint qui a accepté de présider ce jury. Grand merci à Farid Benboud-
jema et Hélène Dumontet pour avoir supporté la lourde tâche de rapporteurs et d’avoir
par conséquent lu mon mémoire d’une façon détaillée. Un merci également à Khaled
Lahlou et Gilles Chanvillard d’avoir accepté de compléter ce jury.
Je remercie Michel Bornert pour ses conseils et ses discussions intéressantes concer-
nant l’utilisation de la corrélation d’image, technique à l’origine d’une majeure partie des
résultats expérimentaux de ce travail. Je remercie également Sébastien Brisard, Amina
Alaoui, Sandrine Marceau et Anissa Eddhahak-Ouni pour avoir consacré du temps à la
discussion de ce travail.
J’exprime ma reconnaissance à l’équipe technique du Laboratoire Navier pour leur
aide précieuse. Je remercie en particulier Géraldine Vue pour son assistance tout au long
de la partie expérimentale de ce travail. Je tiens aussi à remercier Daniel Cintra pour son
soutien lors de la mise en place des essais à Kepler. Je remercie aussi Christophe Bernard,
Alain Tamain et Gilles Moreau. J’exprime ma reconnaissance aussi à l’équipe adminis-
trative et en particulier à Marie-Françoise Kaspi, Rachida Atmani, Sandrine Coqueret et
Cécile Blanchemanche.
Je tiens aussi à remercier l’ensemble des chercheurs du laboratoire Navier. En par-
ticulier à Karam Sab directeur du laboratoire, à Jean-François Caron, responsable de
l’équipe MSA et à Alain Ehrlacher pour avoir soutenu ma candidature pour cette thèse.
Merci aussi à Gilles Foret pour ses échanges enrichissants.
J’exprime aussi ma reconnaissance à Simon Gelin pour son aide à l’aboutissement
des essais à Kepler, à Zouhair Adnani pour son aide à la fabrication des échantillons
juste après mon retour d’un congé maladie, et à Raphaël Brière pour ses relectures et
corrections de mon manuscrit.
Je remercie chaleureusement toutes les personnes avec qui j’ai partagé un repas, un
café ou une discussion durant ces trois ans. Je pense en particulier à mes collègues
de bureau : Ababacar Gaye, Nicolas Espinosa, Nam Nghia Bui, Thanh Tung Nguyen,
Abdusalam Aili. Merci pour les moments inoubliables que nous avons passés ensemble,
pour les discussions enrichissantes et pour vos encouragements.
Last but not least, j’exprime mes profondes salutations à mes amis. La liste est
tellement longue que je ne peux pas citer vos noms. J’exprime également ma gratitude à
ma famille et je m’excuse de ne pas avoir été très présent pendant ces trois ans. Merci
pour vos encouragements et pour votre soutien permanent. Vous êtes toujours derrière
mes réussites et mes différents exploits.
Je vous adresse tous la même parole "Merci !".
Abdessamad
Résumé
Les bétons végétaux, composés de particules végétales et d’un liant minéral ou organique,
constituent une solution à explorer pour limiter l’impact environnemental du bâtiment. Utilisés
principalement pour leurs performances thermiques, ces matériaux suscitent l’intérêt de plusieurs
organismes de recherche ainsi que de plusieurs entreprises industrielles. La généralisation de leur
utilisation dans la construction ne sera pas possible sans résoudre certains problèmes liés à leurs
techniques de mise en œuvre, à leur certification et à leur durabilité.
Le présent travail a pour objectif de contribuer à la caractérisation de ces matériaux com-
plexes. Il s’agit en particulier d’étudier les comportements mécanique, thermique et hydroméca-
nique du béton de granulats de bois. La stratégie utilisée consiste à combiner l’expérience et la
modélisation pour mieux comprendre les mécanismes mis en jeu.
Le module de Young et la résistance en compression ont été mesurés expérimentalement à
l’aide de la technique de corrélation d’images numériques. L’évolution de ces propriétés dépend
des conditions de conservation, de la durée de séchage ainsi que de la teneur en ciment. En
raison de l’orientation aléatoire des granulats de bois, le comportement mécanique du béton est
isotrope. Un modèle d’homogénéisation basé sur le schéma autocohérent a été développé pour
prédire le module de Young du béton et ses résultats sont très satisfaisants.
Les mesures de la conductivité thermique montrent que celle-ci reste constante en conditions
endogènes. La modélisation de cette propriété par le schéma autocohérent conduit à des résul-
tats cohérents avec les mesures expérimentales. En conditions de dessiccation, la conductivité
thermique dépend linéairement de la densité du béton. L’évolution de la conductivité thermique
des granulats de bois et de la pâte de ciment au cours du séchage a été modélisée grâce au
schéma de Mori-Tanaka. Ces évolutions ont été intégrées dans le modèle autocohérent qui four-
nit ainsi des résultats satisfaisants, mais qui pourrait être amélioré si l’on disposait des courbes
de sorption/désorption des constituants du béton.
Les variations dimensionnelles du béton au cours du temps dépendent des conditions de
conservation, mais pas de la direction de mesure, ni de la teneur en ciment. Un modèle reposant
sur une combinaison des déformations induites par la désorption de l’eau par des constituants
et le transfert d’humidité entre ceux-ci a été proposé et a permis de capturer les tendances des
déformations du béton sauf au jeune âge. À l’échelle locale, l’étude a montré que les déformations
du béton sont du même ordre de grandeur que celles de la pâte de ciment. Elle a aussi mis en
évidence un endommagement partiel de l’interface granulat/liant qui mériterait à être pris en
compte dans la modélisation.
Mots clés :Matériauxrenouvelables,Granulatsdebois,Endommagement,Propriétésthermo-
mécaniques, Modélisation, Variations dimensionnelles, Bétons végétaux, Expérimentation, Cor-
rélation d’images numériques.

Abstract
Environmentally-friendly concretes, made up of plant-based particles and mineral or organic
binder, are solutions worth exploring to reduce the environmental impact of buildings. Mainly
used for their thermal performance, these materials have aroused interest of many research
organisations and industrial companies. Their widespread use in construction is not possible
without resolving some technical problems related to their implementation, certification and
durability.
This work aims to contribute to characterize these complex materials, in particular to study
the mechanical, thermal and hydromechanical behaviors of wood-aggregate concrete. Modeling
and experiments have been used to understand the complex mechanisms involved.
The Young’s modulus and the compressive strength were experimentally measured using digi-
tal image correlation. The evolution of these properties depends on the conditions of storage, the
drying time and the cement content. Because of the random orientation of the wood aggregates,
the material exhibits isotropic behavior. A homogenization model based on a self-consistent
scheme was developed to predict the Young’s modulus. The results were satisfactory.
Measurementsshowthatthermalconductivityremainsconstantundersealedconditions. The
modeling of this property with the self-consistent scheme gives results consistent with experi-
mental measurements. In desiccation conditions, the thermal conductivity depends linearly on
the density of concrete. The evolution of the thermal conductivity of the wood aggregates and
the cement paste during drying was modeled with the Mori-Tanaka scheme. These evolutions
were integrated into the self-consistent model, which yielded satisfactory results, but could be
improved if sorption/desorption curves of the phases were available.
The macroscopic dimensional variations of the wood-aggregate concretes depended on the
storage conditions, but not on the measurement direction, nor on the cement content. A model
based on the combination of the strains induced by the desorption of water from the phases and
the moisture transfer between them was proposed. It allowed us to capture the trends of the
strains of our concrete except at early age. At a local scale, the study showed that the strains
of concrete were close to those of the cement paste. The study also shed light on a significant
damage of the aggregate/binder interfaces, which would deserve to be taken into account into
the modeling.
Keywords: Renewable materials, Wood aggregates, Damage, Thermo-mechanical proper-
ties, Modeling, Dimensional variations, Vegetal concrete, Experimentation, Digital image corre-
lation.