Caractérisation et modélisation hygrothermique de la structure de murs de bâtiment en bois/argile renforcée par des fibres végétales

Kabore, Aguérata (2024). Caractérisation et modélisation hygrothermique de la structure de murs de bâtiment en bois/argile renforcée par des fibres végétales. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Face aux défis de la gestion de la consommation énergétique dans les bâtiments et aux enjeux environnementaux, la réintégration des matériaux géosourcés dans la construction se révèle être une piste prometteuse pour une construction durable et écologique. Le torchis, un matériau traditionnel composé de terre argileuse et de fibres végétales, se distingue par sa faible empreinte carbone et ses matières premières abondantes, bien que son utilisation soit limitée à cause du manque de références scientifiques. L’objectif de cette thèse est de réaliser une caractérisation globale de torchis formulé avec 3 % et 6 % de fibres de blé, et par la suite de réaliser une simulation numérique des systèmes de murs en torchis et sur des coupes transversales bois/torchis/bois.

Le projet de doctorat se divise en trois objectifs spécifiques. Le premier objectif spécifique s’intéresse à la caractérisation des argiles, des fibres de blé et à la formulation des échantillons en torchis en cherchant le rapport eau/argile et le rapport eau/fibre. Le second objectif spécifique vise à déterminer les propriétés hygrothermiques, mécaniques, la porosité et la microstructure des matériaux en torchis et en argile obtenus dans l’objectif spécifique 1. Quant au troisième objectif, il vise à évaluer le comportement hygrothermique de systèmes de murs en torchis et en bois/torchis (matériaux obtenus dans l’objectif 1) par des simulations numériques avec des données climatiques variables. Pour finir, une étude exploratoire a été réalisée sur la résistance au feu des échantillons en torchis ainsi que sur les propriétés thermiques des échantillons en torchis stabilisés avec 2 %, 4 % et 6 % de ciment.

Les études menées pour répondre aux différents objectifs spécifiques ont montré une amélioration significative des performances thermiques des échantillons en torchis fabriqués traditionnellement, avec une conductivité thermique réduite allant de 0,55 à 0,2 W/(m·K) et une capacité thermique spécifique variant de 830 J/(kg·K) à 1600 J/(kg·K). Ces résultats soulignent le potentiel du torchis comme matériau de remplissage dans les structures modernes à ossature de bois, offrant ainsi une double régulation thermique grâce à la combinaison du bois et de l’argile renforcée de fibres. La valeur tampon d’humidité (MBV) des échantillons d’argile, avec ou sans renforcement de fibres, est supérieure à 2 g/(m²·%RH), ce qui les place dans la classe d’excellence selon les exigences de NORDTest. Les porosités ouvertes des échantillons variaient de 20 % à 45 %, avec des capacités spécifiques d’humidité allant de 0,014 kg/kg à 0,031 kg/kg. Les propriétés mécaniques du torchis évaluées ont montré une augmentation significative de la résistance à la compression des échantillons d’argile rouge, passant de 1,8 MPa à 4,57 MPa, et celle des échantillons d’argile beige, passant de 1,65 MPa à 4,61 MPa après 28 jours. La résistance à la flexion a également augmenté avec l’âge pour les échantillons renforcés de 3 % et 6 % de fibres, augmentant la ductilité des échantillons en torchis. Les essais préliminaires de la résistance au feu ont révélé que les échantillons de torchis renforcés de fibres restent intacts lorsqu’ils sont exposés à des températures élevées, bien que des fissures superficielles puissent apparaitre, tandis que les échantillons sans fibres se brisent. La température du côté non exposé au feu reste inchangée, démontrant ainsi une bonne résistance thermique.

Ces résultats confirment ceux obtenus par la simulation hygrothermique des systèmes de murs en torchis avec des données climatiques variables. Les résultats de la simulation ont révélé une stabilité de la température intérieure des murs en torchis, renforçant l’idée que le torchis peut contribuer à une construction durable et résiliente. Afin de favoriser l’utilisation du torchis dans les zones climatiques froides et humides, l’utilisation de membranes pare-air/pare-vapeur 3M™ 3015 ou une membrane pare-pluie est nécessaire pour éviter le développement de risques de moisissure.

Les résultats de cette étude fournissent des bases de données solides pour des recherches futures visant à optimiser les formulations traditionnelles du torchis et à développer des solutions innovantes pour intégrer ces matériaux dans la construction moderne. Le développement de systèmes d’enveloppe de bâtiment avec des propriétés hygrothermiques améliorées se poursuit, et le torchis, avec ses avantages environnementaux et ses performances hygrothermiques, pourrait jouer un rôle clé dans la transition vers des pratiques de construction durables. Les résultats de la simulation hygrothermique indiquent que le torchis, en tant que matériau de remplissage de la structure du bâtiment à ossature de bois, est un excellent régulateur de la température et de l’humidité intérieure, rendant ce matériau adapté pour des applications spécifiques dans des environnements variés.

Titre traduit

Characterization and hygrothermal modelling of the building walls structure in wood/clay reinforced with plant fibres

Résumé traduit

Faced with the challenges of managing energy consumption in buildings and environmental issues, the reintegration of geosourced materials in construction proves to be a promising approach for sustainable and ecological construction. Cob, a traditional material composed of clay soil and plant fibres, stands out for its low carbon footprint and abundance of earthen materials, although its use is limited due to the lack of scientific references. The objective of this thesis is to provide a comprehensive characterization of cob formulated with 3% and 6% wheat fibres, followed by a numerical simulation of cob wall systems and cross-sectional wood/cob/wood cuts.

The doctoral project is divided into three specific objectives. The first specific objective focuses on the characterization of clays, wheat fibres, and the formulation of cob samples by examining the water/clay ratio and the water/fibre ratio. The second specific objective aims to determine the hygrothermal and mechanical properties, porosity, and microstructure of cob and clay materials obtained in specific objective 1. As for the third objective, it aims to evaluate the hygrothermal behaviour of cob and wood/cob wall systems (materials obtained in objective 1) through numerical simulations with varying climatic data. Finally, an exploratory study was conducted on the fire resistance of cob samples and the thermal properties of cob samples stabilized with 2%, 4%, and 6% cement.

The studies conducted to meet the various specific objectives have shown a significant improvement in the thermal performance of traditionally manufactured cob samples, with a reduced thermal conductivity ranging from 0.55 to 0.2 W/(m·K) and a specific thermal capacity ranging from 830 J/(kg·K) to 1600 J/(kg·K). These results highlight the potential of cob as a filling material in modern wood-frame structures, providing dual thermal regulation through the combination of wood and clay reinforced with fibres. The moisture buffer value (MBV) of clay samples, with or without fibre reinforcement, exceeds 2 g/(m²%RH), placing them in the excellence class according to NORDTest requirements. The open porosities of the samples ranged from 20% to 45%, with specific moisture capacities ranging from 0.014 kg/kg to 0.031 kg/kg. The mechanical properties of cob evaluated showed a significant increase in the compressive strength of red clay samples, from 1.8 MPa to 4.57 MPa, and that of beige clay samples, from 1.65 MPa to 4.61 MPa after 28 days. Flexural strength also increased with age for samples reinforced with 3% and 6% fibres, enhancing the ductility of cob samples. Preliminary fire resistance tests revealed that fibre-reinforced cob samples remain intact when exposed to high temperatures, although superficial cracks may appear, while fibreless samples break. The temperature on the unexposed side remains unchanged, demonstrating good thermal resistance.

These results confirm those obtained from the hygrothermal simulation of cob wall systems with varying climatic data. The simulation results revealed stable interior temperatures in cob walls, reinforcing the idea that cob can contribute to sustainable and resilient construction. To promote the use of cob in cold and humid climate zones, the use of 3M™ 3015 air/vapor barrier membranes or rain barrier membranes is necessary to prevent the development of mold risks. The results of this study provide a solid foundation for future research aiming to optimize traditional cob formulations and develop innovative solutions to integrate these materials into modern construction. The development of building envelope systems with improved hygrothermal properties continues, and cob, with its environmental benefits and hygrothermal performance, could play a key role in transitioning to sustainable construction practices. The hygrothermal simulation results indicate that cob, as a filling material in wood-frame building structures, is an excellent regulator of interior temperature and humidity, making it suitable for specific applications in diverse environments.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thèse par articles présentée à l’École de technologie supérieure comme exigence partielle à l’obtention du doctorat en génie". Comprend des références bibliographiques (pages 283-318).
Mots-clés libres:	matériaux géosourcés, torchis, bois/argile, transfert de chaleur et de masse, simulation numérique, performance hygrothermique
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Ouellet-Plamondon, Claudiane
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	20 févr. 2025 15:53
Dernière modification:	20 févr. 2025 15:53
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3539

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