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La production du logement collectif employant des matériaux biosourcés fait l’objet d’une phase de recherche et d’expérimentation qui embarque les acteurs impliqués dans des projets complexes. Si cette démarche n’est pas nouvelle, elle offre un terrain d’observation des transformations à l’œuvre dans les processus de conception impactés par les enjeux environnementaux. L’emploi du bois semble replacer le sujet de la technique au cœur d’un programme dont les automatismes induits par des décennies de mises en œuvre d’enveloppes en béton armé sont bouleversés. Dans cet article, nous nous demandons dans quelle mesure l’emploi du bois dans le logement collectif implique un niveau de technicité qui transforme et renouvelle le processus de conception de ce programme. Pour apporter un éclairage sur ces questions, nous rendons compte des résultats d’une enquête menée sous la forme d’entretiens auprès de huit architectes concepteurs de logements collectifs en bois qui analysent leurs pratiques et les transformations qu’ils observent.

Architectes et techniciens font aujourd’hui face à une double injonction contradictoire. D’une part, ils doivent proposer des alternatives constructives sobres et décarbonées pour se conformer à la nouvelle Réglementation environnementale 2020 et redécouvrent pour cela l’usage de matériaux anciens que l’on dit désormais « naturels », « crus », « biosourcés » ou « géosourcés ». Mais ils doivent d’autre part respecter l’ensemble du cadre réglementaire préexistant qui fixe des exigences en termes de sécurité, de pérennité et de confort, obtenues grâce aux performances remarquables des matériaux modernes et notamment du béton armé. L’urgence de la transition écologique se confronte alors à la lenteur prudente avec laquelle le corpus réglementaire intègre les particularités de la construction bas carbone réalisée avec des matériaux réputés fragiles. Dans un premier temps, cette enquête s’intéressera aux récentes démarches entreprises par des acteurs de la filière bois pour demander la révision de la réglementation incendie et à leur réception par les autorités. Ce processus montre que le cadre réglementaire est le fruit de consensus entre des forces antagonistes d’innovation et de prudence, aux temporalités très différentes et que ce cadre est in fine l’expression juridique du niveau de risques auquel une société consent. Dans un second temps, l’analyse du projet aux objectifs écologiques exemplaires de l’école des Messageries lancé par la ville de Paris, qui fait la part belle aux matériaux biosourcés et géosourcés, montre que l’invention constructive est prise dans les rets du cadre réglementaire et normatif et ne peut être développée qu’en articulation avec lui. Si les études de ce projet témoignent d’un travail important et concluant de recherche d’équivalences en matière de gestion des risques, c’est au prix d’une augmentation des couches de protections au feu et d’une sophistication constructive qui grèvent son bilan carbone. Enfin, en s’attachant exclusivement à la définition des éléments matériels de l’architecture, ce projet reste aveugle aux exigences réglementaires de confort que la modernité nous a permis de fixer et qui pèsent plus lourd dans le bilan carbone de l’édifice que toute sa superstructure. Il est donc urgent d’élargir la réflexion pour questionner les pratiques architecturales courantes dans leur rapport avec les normes sociales relatives aux usages et au confort.

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

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

Le bâtiment est un secteur particulièrement émissif en gaz à effet de serre. Pour tenter de réduire l’impact des matériaux sur l’environnement, de nombreuses recherches visent à étudier différentes alternatives pour limiter l’épuisement des ressources, la consommation d’énergie et le rejet de composés polluants. Dans ce contexte, les bétons biosourcés se positionnent comme une alternative sérieuse au béton traditionnel, avec une empreinte carbone plus faible.Cette thèse industrielle, portée par l’entreprise ALKERN, leader en France et en Belgique de produits préfabriqués en béton, a pour objectif de contribuer à la formulation d’un béton végétal incorporant des co-produits / déchets de bois structurel à impact environnemental plus faible que le Naturbloc®, un bloc actuellement sur le marché. Ce dernier produit est constitué de granulats de bois minéralisé puis introduit dans une matrice cimentaire.Ce travail s’articule en trois volets. Les bois témoin (non traité) et de référence (minéralisé) ont d’abord été caractérisés. Dans un second temps, des traitements alternatifs à la minéralisation du bois ont été testés et caractérisés, notamment au regard de leur reprise en eau et leur aptitude à relarguer ou contenir les extractibles présents dans les végétaux. Leur compatibilité avec une matrice cimentaire a également été évaluée. Il a ainsi pu être mis en évidence que la nature du substrat influence les résultats et l’interaction des granulats avec la pâte cimentaire.Enfin, le bois traité a été introduit dans la matrice cimentaire témoin et dans une matrice alternative à plus faible impact environnemental. Cette dernière a été obtenue soit par un changement de liant, soit par une adjuvantation spécifique du béton. L’ensemble des résultats montrent qu’il existe un lien direct entre les propriétés physico-chimiques des granulats et les performances mécaniques obtenues pour le béton
The construction industry produces a high amount of greenhouse gases. In order to reduce the impact of materials on the environment, a lot of researches are focused on the study of different alternatives to limit the exhaustion of resources, the energy consumption and the rejection of polluting compounds. In this context, bio-based concrete seem to be a serious alternative to traditional concrete, with a lower carbon footprint.The aim of this industrial thesis, supported by the company ALKERN, leader in France and in Belgium for precast concrete products, is to contribute to the formulation of structural green concrete incorporating co-products / wood waste with an environmental impact lower than the Naturbloc®, a block already available on the market. This last product is made of wood aggregates mineralized and then introduced in a cementitious matrix.This work is divided into three parts. Firstly, the control wood (untreated) and reference wood (mineralized) were characterized. Then, alternative treatments to replace cement coating of wood were tested and characterized, especially in terms of water uptake and ability to leach or hold the extractives present in vegetables back. Their compatibility with a cementitious matrix was also evaluated. The study highlights the fact that the nature of the substrate has an influence on the results and on the interaction between aggregates and cementitious paste.Finally, treated wood was introduced into a cementitious matrix and in an alternative matrix with a lower environmental impact. The latter was obtained either by change of the binder or by use of additives in bio-based concrete. All the results show the existence of a direct link between physico-chemical properties of aggregates and mechanical performances of concrete

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

L’industrie du béton est une des industries les plus importantes, mais aussi les plus polluantes du XXIème siècle du fait de la fabrication du ciment. Plusieurs solutions existent afin d’en diminuer son impact environnemental, malheureusement elles résultent en une baisse non négligeable des propriétés recherchées du béton en termes de fluidité, maintien et résistance mécanique. L’utilisation d’adjuvants organiques permet de retrouver ces propriétés, cependant ceux-ci sont généralement pétro-sourcés et leur synthèse n’est actuellement pas durable. Nous avons proposé, dans le cadre de cette thèse, des perspectives de remplacement des superplastifiants pétrochimiques actuellement utilisés par des (macro)molécules biosourcées. Ces (macro)molécules devant, à la fois, permettre une adsorption sur le ciment et aussi posséder un effet répulsif conduisant à l’abaissement des contraintes critiques de la pâte de ciment pour une même quantité d’eau. Pour cela, nous avons présenté ici deux stratégies : (1) la modification chimique et enzymatique d’une lignine industrielle (e.g., le lignosulfonate de sodium), ainsi que (2) des voies de synthèse chimio-enzymatiques de nouveaux monomères biosourcées à partir de la vanilline, ainsi que leur polymérisation par voie ADMET permettant l’obtention de polymères post-fonctionnalisables. Les macromolécules issues de ces deux stratégies ont ensuite été testées sur coulis de ciment pour déterminer leur propriété d’adsorption ainsi que leur pouvoir fluidifiant. Bien qu’un effet non négligeable de ces molécules sur la rhéologie ait été démontré, les résultats préliminaires n’ont pas mis en lumière de propriétés comparables à celles des superplastifiants actuellement utilisés. En revanche, la grande flexibilité des voies de synthèse développées et du design structural des monomères, devrait permettre de moduler à façon les propriétés de ces nouvelles macromolécules, ouvrant ainsi la voie à de futurs développements d’adjuvants
The concrete industry is one of the most important, but also the most polluting industries of the 21st century due to the cement manufacturing. Many solutions exist in order to reduce its environmental impact, unfortunately they result in a significant drop of the properties of concrete in terms of fluidity, workability during time and mechanical resistance. The use of organic adjuvants allows recovering these properties, but these are petro-sourced and their synthesis is not currently sustainable. Here in, we have proposed prospects for replacing the petrochemical superplasticizers by biosourced (macro)molecules.These (macro)molecules must, at the same time, adsorb themselves on the cement but also possess a repulsive effect leading to the lowering of the critical stresses of the cement paste for the same quantity of water. To reach these performances, we presented here two strategies: (1) the chemical and enzymatic modification of an industrial lignin (i.e., sodium lignosulfonate), as well as (2) chemo-enzymatic synthesis routes for new bio-sourced monomers from vanillin, as well as their polymerization by the ADMET route, making it possible to obtain post-functionalizable polymers.The macromolecules resulting from these two strategies were then tested on cement slurry to determine their adsorption property as well as their fluidizing power. Although a non-negligible effect of these molecules on the rheology has been demonstrated, the preliminary results have not revealed properties comparable to those of the currently used superplasticizers. Nevertheless, the great flexibility of the developed synthetic routes and the structural design of the monomers should allow to modulate the properties of these new macromolecules, thus opening the way to future developments of adjuvants

Les économies d'énergie et la réduction des émissions des gaz à effet de serre dans le secteur du bâtiments ainsi que le maintien d’un confort hygrométrique prennent une importance majeur ces dernières décennies. L'utilisation de matériaux à changement de phase (MCP) ou de matériaux hygroscopiques d'origine végétale pour l'enveloppe des bâtiments est une solution prometteuse. Les MCP conduit à améliorer le confort thermique intérieur et à réduire la consommation d'énergie, tandis que les matériaux hygroscopiques biosourcés sont des matériaux respectueux de l'environnement et permettent la régulation de l'humidité intérieure et assure une isolation thermique optimale. Cependant, seules quelques études ont exploré l'application l’intégration de ces deux types de matériaux et analysé de manière exhaustive les performances énergétiques et hygrothermiques. Cette thèse propose une solution d'enveloppe passive qui intègre le PCM et le béton de chanvre biosourcé pour améliorer simultanément les performances énergétiques, et hygrothermiques du bâtiment. Les principaux objectifs de cette étude sont d'examiner la faisabilité des enveloppes intégrées, d'étudier de manière exhaustive les performances hygrothermiques et énergétiques ainsi que les avantages et les inconvénients de différentes configurations avec le PCM placé à différents endroits du béton de chanvre.Tout d'abord, des expériences ont été menées en comparant les performances hygrothermiques d'une enveloppe de référence (béton de chanvre uniquement) et de trois enveloppes intégrées avec du MCP placé à différents endroits dans deux conditions limites typiques. Les résultats ont montré la faisabilité des enveloppes intégrées. La présence de PCM a augmenté les inerties thermique et hygrique de l'enveloppe. Par conséquent, le déphasage a été augmenté et l'amplitude de la température et de l'humidité relative a été réduite. Les différentes configurations présentaient des avantages et des inconvénients différents. La configuration dans laquelle le MCP est placé au milieu du béton de chanvre est intéressante car elle présente une faible fluctuation et un dephasage interessant à la fois pour les variations de la température et de l'humidité relative, et conduit ainsi à de grandes économies d'énergie.Ensuite, le modèle physique i, de transfert de la chaleur et de l’humidité, à l’échelle de l'enveloppe a été développé. Ce modèle intègre la dépendance de la température et de la caractéristique hygroscopique du béton de chanvre. La précision du modèle a été validée par comparaison avec les données expérimentales. Sur la base du modèle validé, les simulations ont été effectuées dans un climat méditerranéen afin d'étudier de manière exhaustive les performances hygrothermiques et énergétiques de l'enveloppe intégrée. Les résultats ont mis en évidence le rôle indispensable du transfert d'humidité dans la détermination de la charge hugrothermique, ainsi que l'effet précieux de l'enveloppe sur l'amélioration des performances énergétiques et hygrothermiques. En outre, l'enveloppe intégrée avec le PCM proche de (mais pas en contact avec) l'intérieur a montré un grand potentiel pour économiser de l'énergie et s'adapter aux variations d'humidité du climat tout en garantissant l'équilibre de l'humidité dans le béton de chanvre. Enfin, l'analyse paramétrique a été réalisée du point de vue des propriétés du MCP (épaisseur, chaleur latente et plage de transition de phase), et le risque d'application (condensation et développement de moisissures) a été évalué. Les résultats de l'analyse paramétrique ont montré que les performances de l'enveloppe pouvaient être améliorées en augmentant l'épaisseur et la chaleur latente de MCP et en identifiant la plage de transition de phase appropriée du MCP. Les résultats de l'évaluation des risques ont confirmé que l'enveloppe ne présentait aucun risque de condensation et de développement de moisissures
With the development of society, the demand for energy saving and carbon emission reduction in buildings as well as the indoor thermal and humidity environment comfort is gradually increasing. Using Phase change materials (PCMs) or bio-based hygroscopic materials as building envelopes are promising solutions. PCMs can improve indoor thermal comfort and reduce energy consumption, while bio-based hygroscopic materials are environment-friendly materials that enable indoor humidity regulation and thermal insulation. However, only a few studies have explored the integrated application of the two types of materials and comprehensively analyzed the energy and hygrothermal performance. This dissertation proposed a passive envelope solution that integrates PCM and bio-based hemp concrete (HC) to simultaneously improve the energy, thermal, and hygric performances of buildings. The main objectives of this study are to investigate the feasibility of the integrated envelopes, to comprehensively study the hygrothermal and energy performance as well as the advantages and disadvantages of different configurations with PCM placed in different locations of the HC, and to conduct the parametric analysis and evaluate the application risks of the integrated envelope.First, experiments were conducted by comparing the hygrothermal performance of a reference envelope (HC only) and three integrated envelopes with PCM placed in different locations under two typical boundary conditions. The results demonstrated the feasibility of the integrated envelopes. The presence of PCM increased the thermal and hygric inertia of the envelope. As a result, the time delay was increased and the temperature/relative humidity amplitude was decreased. Different configurations had different advantages and disadvantages. The configurations with PCM placed in the middle of the HC was worth noting as it had small temperature/relative humidity fluctuation, long temperature time delay, and large energy savings.Then, the mathematical model of the integrated envelope that couples heat and moisture transfer and considers the temperature dependence of HC’s hygroscopic characteristic was developed. The accuracy of the model was validated by comparison with the experimental data. Based on the validated model, the simulations were performed in a Mediterranean climate to comprehensively investigate the hygrothermal and energy performance of the integrated envelope. The results highlighted the indispensable role moisture transfer plays in determining the indoor hygric environment and heat load, as well as the valuable effect of the integrated envelope on improving both energy and hygrothermal performance. Besides, the integrated envelope with PCM close to (but not in contact with) the interior showed great potential for saving energy and adapting to climate humidity variation while guaranteeing moisture equilibrium within the HC.Finally, the parametric analysis was performed from the perspective of PCM properties (thickness, latent heat, and phase transition range), and the application (condensation and mold growth) risk was evaluated. The results of the parametric analysis illustrated that the performance of the integrated envelope could be improved by increasing the thickness and latent heat and identifying the appropriate phase transition range of the PCM. The risk evaluation results confirmed that the integrated envelope was free from the risk of condensation and mold growth

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

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

La construction en terre crue constitue une alternative écologique aux bétons de ciment. Afin de promouvoir son usage, la présente étude s’intéresse à la mise au point de bétons de terre coulables permettant une mise en œuvre analogue à celle des bétons usuels. Dans cette optique, il est nécessaire de conférer au matériau une solidification à court terme (24 h) sans attendre son séchage, afin de permettre un débanchage rapide. La voie explorée pour répondre à cette problématique s’inspire de la technique du Gelcasting utilisée dans le domaine des céramiques techniques. Celle-ci s’appuie sur la gélification de polymères préalablement introduits dans une barbotine céramique pour induire une transition liquide-solide rapide et homogène. Une étude bibliographique complétée par des essais préliminaires a mené à la sélection de l’alginate, un polymère biosourcé non toxique et gélifiant à température ambiante sous l’action de cations multivalents tels que le calcium. Ce polymère s’est révélé très prometteur. Il a permis la réalisation d’éprouvettes de mortier démoulables 24 h après coulage et présentant une résistance en compression de l’ordre de 0,1 MPa, théoriquement suffisante à un mur de 3 m de haut pour tenir sous son propre poids. Une preuve de concept à l’échelle du béton a par ailleurs pu être réalisée sous la forme d’un muret de 40 cm de haut coulé et vibré à partir d’une consistance fluide puis décoffrable en 24 h. Les performances mécaniques et hygrothermiques du matériau sec ont été validées, et la présence du polymère gélifié pourrait améliorer la résistance à l’érosion. De premiers essais ont montré que le procédé pouvait être adaptable à des terres moins calcaires que celle utilisée tout au long de l’étude
Developing raw earthen construction is nowadays a major environmental issue, due to its low embodied energy compared to Portland cement. A solution would be to use a similar process as cement-based concrete, by casting into formworks. Nevertheless, this is limited by technical difficulties, owing to the fact that earth is not a hydraulic binder. In that perspective, this work focuses on inducing a liquid-solid transition to an earth suspension without waiting for drying, similar to cement-based materials. The approach explored to meet this challenge is inspired by the technique of Gelcasting used in the field of technical ceramics. This relies on the gelation of polymers previously introduced into a ceramic slurry to induce a rapid and homogeneous liquid-solid transition. A bibliographic study supplemented by preliminary tests led to the selection of alginate, a biosourced polymer that is non-toxic. Its gelation is allowed at ambient temperature, via addition of multivalent cations such as calcium ions. This polymer proved to be very promising. It made it possible to produce mortar specimens which could be unmoulded 24 hours after casting. A wet compressive strength close to 0.1 MPa could be reached, theoretically sufficient for a wall of 3 meters high to stand under its own weight. A proof of concept at the concrete scale was then realized as a low wall of 40 cm high casted and vibrated and then unmoulded in 24 hours. Mechanical and hygrothermal performances of the dry material were validated, and the presence of the gelled polymer could improve the resistance to erosion. Initial trials showed that the process could be adapted to low calcareous soils