# Étude et modélisation du comportement thermo-hydrique d'une paroi en béton de chanvre

Thibaut Colinart, Patrick Glouannec, Philippe Chauvelon, Pascal Le Bideau, Florence Collet, Christophe Lanos

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Thibaut Colinart, Patrick Glouannec, Philippe Chauvelon, Pascal Le Bideau, Florence Collet, et al. Étude et modélisation du comportement thermo-hydrique d'une paroi en béton de chanvre. IBPSA France, Nov 2010, Moret sur Loing, France. hal-01169096

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# Etude et modélisation du comportement thermo-hydrique d'une paroi en béton de chanvre

Thibaut Colinart¹, Patrick Glouannec¹, Philippe Chauvelon¹, Pascal Le Bideau¹, Florence Collet², Christophe Lanos²

¹ LIMATB – Laboratoire d'Ingénierie de MATériaux de Bretagne
Université de Bretagne Sud – UEB, BP 92113, 56321 Lorient Cedex,

² LGCGM – Laboratoire de Génie Civil et de Génie Mécanique
IUT de génie civil, 3 rue du clos Courtel, 35704 Rennes cedex 7,
thibaut.colinart@univ-ubs.fr

RESUME. La prise de conscience croissante en matière de développement durable tend à orienter le secteur du bâtiment vers l'utilisation d'éco-matériaux. Dans ce contexte, les agro matériaux à base de chanvre répondent tant à ce nouveau besoin du marché qu'aux exigences environnementales en vigueur. Le béton de chanvre est un matériau très hétérogène obtenu en mélangeant un liant à base de chaux hydraulique et aérienne, des particules de chanvre (chenevotte) et de l'eau. Dans le cadre du projet ANR BETONCHANVRE, une paroi de béton de chanvre instrumentée en capteurs de température et d'humidité relative fait l'objet d'une étude expérimentale. En parallèle, un modèle représentant le comportement hygrothermique de ce type de paroi a été développé sous COMSOL. La confrontation des résultats numériques et expérimentaux montre une bonne concordance de la température et, dans une moindre mesure, de la teneur en eau.

MOTS-CLÉS : Béton de chanvre, expérimentation contrôlée, transferts thermo-hydriques couplés.

ABSTRACT. Because of the general increasing awareness of the sustainable development, the building sector tends to use eco-materials. In this context, agromaterials and particularly hemp based materials are a good response to the socioeconomic demand and to the prevailing thermal and environmental regulation. Hemp concrete (or hempcrete) is a biocomposite made of the mix between the wooden core of the hemp stem (hemp hurds or shives), natural hydraulic lime and a certain amount of water. In the frame of the ANR-funded BETONCHANVRE project, experiments are conducted on a hempcrete wall that is instrumented in temperature and humidity sensors. Besides this, a model was developed with COMSOL in order to predict the hygrothermal behaviour of the wall. The comparison between the numerical and experimental studies shows a good agreement in the temperature and in the local water content.

KEYWORDS: Hemp concrete, controlled experimentation, coupled hygrothermal transfer.

## 1. INTRODUCTION

Le béton de chanvre est un matériau composite obtenu en mélangeant un liant à base de chaux, des particules de chanvre et de l'eau. Ce matériau, poreux et homogène, présente un énorme potentiel pour contribuer à la construction, notamment en France (Halliday, 2008) et respecter des labellisations de type Haute Qualité Environnementale (HQE). A titre d'exemple, une méthode d'analyse de cycle de vie a été appliquée et montre un impact favorable du béton de chanvre sur l'effet de serre (stockage de gaz carbonique) et de faibles impacts environnementaux (épuisement des ressources, déchets, énergie consommation, pollution atmosphérique) (Boutin et al. 2006).
Pour couvrir plusieurs domaines d'applications dans la construction (dalles de béton léger, remplissage ou doublage d'ossature bois, murs banchés, blocs préfabriqués, etc.), différentes formulations sont développées (variation des proportions entre la chènevotte et le liant, ajout d'additifs, etc.) et différents procédés de mise en œuvre sont employés (banchage sur ossature en bois, projection, utilisation d'éléments préfabriqués), permettant d'obtenir des matériaux ayant différentes structures et des caractéristiques mécaniques, thermiques, hydriques et acoustiques variables (Cerezo, 2005).

Lors de son élaboration, le béton de chanvre présente des masses volumiques initiales inférieures à 1000 kg.m⁻³ et des masses volumiques sèches allant de 200 à 600 kg.m⁻³, ce qui est comparable aux valeurs rencontrés dans le cas du béton de bois ou du béton cellulaire. En revanche, la résistance en compression et le module de rigidité sont globalement plus faibles (plafonnées par les caractéristiques du liant) et ne permettent pas pour l'instant d'en faire un matériau porteur. De fait, ce matériau est principalement utilisé comme matériau de remplissage en association avec une structure porteuse en bois, comme l'atteste les nombreuses maisons construites en France (Association Construire en Chanvre, 2007) et au Royaume-Uni (Bevan et Woolley, 2008) depuis les années quatre-vingt-dix.

Cependant, il reste encore de nombreux points de blocage pour le développement de tels matériaux. Les éco-matériaux sont principalement fabriqués de manière artisanale, en l'absence de référence ou de cadre de travail précis. Il n'existe donc aucune validation réglementaire pour leur utilisation. Un gros effort de recherche concerne donc l'élaboration et la caractérisation des propriétés mécaniques, thermiques, hygriques et phoniques de ces matériaux. En revanche, peu d'études concernent leur comportement en usage. C'est dans ce cadre que s'inscrit ce travail supporté par l'Agence Nationale pour la Recherche.

Afin d'appréhender le comportement thermo-hydrique de ce type de paroi lors de la phase de séchage et ensuite en usage, une paroi de 7m² disposée dans une enceinte bi-climatique fait l'objet d'une étude expérimentale. Grâce à une instrumentation adaptée, un suivi des réponses en température et en humidité est réalisé en différents points de la paroi. En parallèle, un modèle numérique représentatif des mécanismes de transfert mis en jeu dans le matériau et aux interfaces a été développé sous COMSOL. La présente communication traite de la confrontation de résultats numériques aux données expérimentales et se doit de montrer la pertinence du modèle.

## 2. PRESENTATION DU DISPOSITIF EXPERIMENTAL

Pour caractériser le comportement hygrothermique de parois en béton de chanvre, un dispositif d'essai en enceinte bi-climatique a été mis en place au sein du laboratoire. Dans cette enceinte a été construite une paroi, de 7 m² de surface, de 36 cm d'épaisseur et de composition « Mur » utilisée par les industriels (cf. Figure 1). Afin de correspondre au plus près des méthodes de construction en génie civil, une ossature bois est associée. Après avoir installé l'ossature bois, le béton de chanvre est projeté. Dans ce procédé de mise en œuvre, le liant et la chènevotte sont tout d'abord mélangé à sec. Ce mélange est ensuite convoyé dans une conduite, l'apport d'eau étant effectué uniquement au niveau de la buse de projection. Au final, le matériau possède une masse volumique sèche de ~390 kg.m⁻³.
Les températures et humidités relatives des deux chambres sont contrôlées indépendamment et leurs évolutions sont relevées par plusieurs capteurs. Pour suivre les évolutions de température et d'humidité relative au sein du béton, six capteurs d'humidité relative et de température ont été implémentés en différents points dans la paroi (cf. Figure 1). Sur la gamme de température et d'humidité relative considérée, la précision des capteurs est de ±0.3°C et ±2%HR et une calibration à la réception permet de corriger les mesures. En complément, plusieurs thermocouples de type K ont également été mis en place afin d'accéder à une cartographie thermique plus précise. Enfin, afin d'appréhender les conditions aux interfaces, les températures de surface sont relevées à l'aide de pyromètres.

<figure><img src="image_2.png" /><figcaption>Figure 1 : Paroi en béton de chanvre projeté sur ossature bois et localisation des capteurs d'humidité (vue de dessus, distance en cm).</figcaption></figure>

<figure><img src="image_3.png" /></figure>

Cette expérimentation doit permettre d'étudier le comportement thermo-hydrique de matériau à base de chanvre lors de sa mise en œuvre, mais aussi de son usage. La mise en œuvre du matériau, à savoir la prise du liant à base de chaux et le séchage en ambiance contrôlée (ici, T = 20°C, RH = 50%) est explicitement traitée dans Glouannec et al. (2010).

Dès lors que le matériau est stabilisé, on s'intéresse à son comportement en usage. Pour cela, il est soumis à des sollicitations couplées de température et d'humidité relative sur les deux surfaces. Les objectifs de ces expériences sont :

- D'évaluer la température et l'humidité relative dans le temps et l'espace afin de déterminer et d'analyser leurs distributions,

- D'évaluer la reprise en eau en fonction des conditions ambiantes, et plus généralement, caractériser le comportement hygrothermique de ces matériaux,

- Et, à terme, d'évaluer l'impact d'un enduit sur les performances hygrothermiques des matériaux à base de chanvre.

Pour atteindre ces objectifs, la stratégie de mesure repose soit sur l'application de gradients de température et d'humidité relative de part et d'autre de la paroi, soit sur l'application de conditions symétriques.
# 3. MODELISATION DES TRANSFERTS DANS LA PAROI

## 3.1. MISE EN EQUATIONS DES TRANSFERTS COUPLES

Le béton de chanvre est assimilé à un matériau poreux hygroscopique, dont la porosité varie entre 50 et 80% (Collet, 2004). En usage, on suppose que ce milieu est non saturé, et donc qu'une phase vapeur et une phase liquide coexistent. Malgré l'hétérogénéité de ses constituants, on considère le béton de chanvre comme un matériau homogène et continu (milieu équivalent) et non déformable (phénomène de retrait négligé).

Pour caractériser le comportement thermique du béton de chanvre, Samri (2008) indique qu'un modèle macroscopique de conduction thermique n'est pas adapté. La prise en compte de l'évapo-transpiration, et donc des transferts de masse, se révèle alors indispensable. La description des transferts de masse fait toutefois apparaître des phénomènes complexes qui peuvent intervenir soit simultanément (transferts en phase vapeur et liquide), soit successivement (adsorption et condensation capillaire). La mise en équations des phénomènes couplés de transfert de chaleur et de masse dans les matériaux capillaro-poreux hygroscopiques, particulièrement les matériaux de construction, a été la cible d'importants travaux de recherche (Philip et De Vries (1957), Luikov (1975), Whitaker (1977)). Ces travaux se basent sur les lois de Fick et de Darcy pour décrire la diffusion de fluide en phase vapeur et en phase liquide, et la loi de Fourier pour la diffusion de la chaleur.

Le modèle retenu reflète l'approche macroscopique développée par Whitaker (1977), pour un milieu considéré comme homogène et constitué de trois phases : solide, liquide et gazeuse. Les variables d'état du modèle sont la température T et la teneur en eau massique w. La pression totale de la phase gazeuse (mélange d'air sec et de vapeur d'eau) est considérée constante et égale à la pression atmosphérique. Les phénomènes de transport convectif et thermo-migratoire et ceux liés à la gravité sont négligés (Krus, 1996), tout comme les effets de l'hydratation du liant.

En retenant une hypothèse de transferts monodimensionnels, les équations de transfert de masse et de chaleur s'écrivent ainsi :

$$ \frac{\partial w}{\partial t} - \frac{\partial}{\partial x} \left[ \frac{1}{\rho_s} (D_l^w + D_v^w) \frac{\partial w}{\partial x} \right] = 0 \quad [1] $$

où $\rho_s$ est la masse volumique sèche du matériau (en $kg_{sec}^{mat} \cdot m^{-3}$) et $D_l^w$ et $D_v^w$ sont les coefficients de diffusion massique (en $kg_{sec}^{mat} \cdot m^{-1} \cdot s^{-1}$) de l'eau liquide et de la vapeur d'eau associés à un gradient de teneur en eau w (en $kg_{H_2O} \cdot kg_{sec}^{mat-1}$).

$$ \rho C_p \frac{\partial T}{\partial t} + \frac{\partial}{\partial x} \left[ -\lambda \frac{\partial T}{\partial x} \right] - \left( \frac{\partial}{\partial x} \left[ D_v^w \frac{\partial w}{\partial x} \right] \right) * \Delta H_v = 0 \quad [2] $$

où $C_p$, $\lambda$ et $\Delta H_v$ sont respectivement la capacité calorifique apparente (en $J \cdot kg^{-1} \cdot K^{-1}$), la conductivité thermique effective (en $W \cdot m^{-1} \cdot K^{-1}$) et la chaleur latente de vaporisation (en $kJ \cdot kg^{-1}$). Les paramètres employés pour la simulation sont explicités dans la partie suivante.
## 3.2. CONDITIONS AUX LIMITES

Les conditions de continuités de flux et des variables d'état définissent l'interface entre le milieu et son environnement. Le flux de matière est évacué par convection dans l'air :

$$ -(D_l^w + D_v^w) \frac{\partial w}{\partial x} = F_m = k_m (\rho_{H_2O}^{surf} - \rho_{H_2O}^{ext}) \quad [3] $$

où $k_m$ est le coefficient de transfert de masse (en $kg_{H_2O} \cdot m^{-2} \cdot s^{-1}$). Cette condition de continuité impose de pouvoir relier la teneur en eau dans le matériau à son activité.

La continuité du flux de chaleur comprend en compte la conduction et le flux latent lié au transfert de matière dans le matériau, la convection et le flux latent coté air ;

$$ -\lambda \frac{\partial T}{\partial x} + (D_v^w \frac{\partial w}{\partial x}) \Delta H_v = h(T_{ext} - T_{surf}) + F_m \Delta H_v \quad [4] $$

où $h$ est le coefficient de transfert de chaleur par convection (en $W \cdot m^{-2} \cdot K^{-1}$).

## 3.3. PARAMETRES EMPLOYES POUR LES SIMULATIONS

D'un point de vue thermique, le béton de chanvre peut être vu comme l'association de trois phases distinctes que sont le solide, l'air et l'eau. La présence de cette dernière va influencer les valeurs des paramètres. Pour cette configuration, la capacité calorique du matériau humide est obtenue grâce à une loi de mélange (Cerezo, 2005, Evrard, 2008) :

$$ \rho C_p = \rho_s (C_p^{mat} + C_p^w w) \quad [5] $$

Concernant la conductivité thermique, la présence des granulats de chanvre et la forte porosité finale du matériau améliore les performances en isolation. Une corrélation pour la conductivité sèche du matériau final est disponible dans la littérature (Cerezo, 2005) :

$$ \lambda = 0.0194 + 0.0002 \rho_s \text{ pour } 200 < \rho_s < 800 \text{ kg} \cdot \text{m}^{-3} \quad [6] $$

Cette conductivité est inférieure à 0.24 $W \cdot m^{-1} \cdot K^{-1}$, qui représente la conductivité du liant seul (Cerezo, 2005). En revanche, la grande sensibilité à l'eau du matériau va avoir un impact sur la conductivité thermique (Collet, 2004). Ainsi, des mesures réalisées sur des éprouvettes de béton de chanvre projetent ont abouti à une valeur de la conductivité thermique de l'ordre de 0.15 $W \cdot m^{-1} \cdot K^{-1}$ pour une humidité relative de 50%.

D'un point de vue hydrique, le béton de chanvre est un matériau hygroscopique. Collet (2004) a déterminé expérimentalement les isothermes d'adsorption et de désorption et montre un fort comportement hystérétique, qui n'est pas pris en compte. Pour les simulations, la loi de type GAB suivante donne une teneur en eau moyenne :

$$ \frac{w}{0.0339} = \frac{0.0087 * 22.66 \text{ HR}}{(1 - 0.0087 \text{ HR})(1 + 0.0087 * (22.66 - 1) \text{ HR})} \quad [7] $$

où HR est l'humidité relative exprimée en %.

Les coefficients de diffusion ont été estimés au laboratoire à partir d'expériences de séchage sur des blocs et à l'aide de techniques inverses. Le modèle employé est le même que présenté ici et permet d'aboutir aux valeurs suivantes (Zaknoune et al., 2009) :
$$D_i^w = \exp\left(-11.166 - \frac{0.711}{w}\right) \qquad [8]$$

$$D_v^w = (0.539(1 - w_r^2) - 0.1182w_r^2)D_0 \left(\frac{\partial p_v}{\partial w}\right) \qquad [9]$$

$$\text{avec } D_0 = 2.306 \cdot 10^{-5} \left(\frac{T}{273.15}\right)^{1.88} \left(\frac{M_a M_v}{MRT}\right) \text{ et } w_r = \frac{w - w_{\text{hyg}}}{w_{\text{sat}} - w_{\text{hyg}}} \text{ respectivement le}$$

coefficient de diffusion binaire de l'eau dans l'air et la teneur en eau réduite.

### 3.4. RESOLUTION DU PROBLEME NUMERIQUE

Les simulations sont réalisées à l'aide de COMSOL Multiphysics. La résolution numérique est réalisée par la méthode des éléments finis associée à un schéma temporel implicite.

## 4. RESULTATS ET DISCUSSION

### 4.1. DESCRIPTIF DE LA SEQUENCE EXPERIMENTALE

La Figure 2 présente les évolutions de la température et de l'humidité relative dans les enceintes intérieure et extérieure, ainsi qu'aux trois positions dans le mur identifiées sur la Figure 1. Les ambiances initiales sont fixées à 23°C et 50% durant près de 100 jours (du fait d'une autre expérience) et les températures et humidités relatives dans le mur sont stabilisées depuis 10 jours avant le changement de consigne. Un échelon de température (23°C → 32°C) et d'humidité relative (50% → 30%) est imposé dans l'enceinte extérieure, de manière à maintenir l'humidité absolue constante. Les températures et humidités relatives relevées dans le mur montre bien un suivi de la sollicitation avec un léger déphasage. La réponse est d'autant plus rapide que le capteur est positionné près de l'enceinte extérieure. Enfin, on observe aussi que l'équilibre thermique est atteint plus rapidement que l'hydrique.

<figure><img src="image_4.png" /><figcaption>Figure 2 : Aperçu des conditions expérimentales appliquées à la paroi de béton de chanvre.</figcaption></figure>

### 4.2. ANALYSE EN REGIME STATIONNAIRE

Afin d'appréhender le comportement thermique de la paroi, une première analyse a d'abord été effectuée en régime stationnaire à l'aide d'un modèle thermique conductif, pour lequel la conductivité thermique est supposé constante. Cette analyse doit notamment permettre d'évaluer les valeurs des les coefficients de convection aux interfaces et la conductivité thermique moyenne du matériau.
Le profil simulé de température est comparé sur la Figure 3 à celui mesuré expérimentalement au 20ème jour lorsque les températures sont stabilisées dans le mur. Le résultat numérique a été obtenu pour des coefficients de convection compris entre 4 et 7 W.m⁻².K⁻¹ et une conductivité thermique de l'ordre de 0.2 W.m⁻¹.K⁻¹. On peut noter que cette valeur est légèrement supérieure à celles relevées dans la littérature (obtenues sur des éprouvettes de laboratoire de manière ex-situ).

<figure><img src="image_5.png" /><figcaption>Figure 3 : Evolution des températures dans l'épaisseur de la paroi en régime stationnaire comparaison des valeurs expérimentales avec un modèle thermique conductif.</figcaption></figure>

### 4.3. ANALYSE DU TRANSITOIRE

Afin d'appréhender le comportement thermo-hydrique de la paroi, le modèle a été résolu pour le cas expérimental présenté ci dessus. Les simulations ont été obtenues en imposant aux limites les consignes expérimentales (T et HR) des deux enceintes. Les Figures 4 présentent les évolutions mesurées (en noir) et simulées (en couleur) de la température et de la teneur en eau dans le mur. Une bonne concordance entre les profils de température est constatée, surtout durant les premiers jours. Pour les teneurs en eau, on observe une réponse numérique similaire à l'expérience pour la sonde positionnée près de l'enceinte extérieure. En revanche, pour les deux autres points étudiés, on relève des écarts significatifs, tant pour les valeurs que pour les tendances, montrant la nécessité d'affiner les connaissances sur le transport de matière dans ce type de matériau.

<figure><img src="image_6.png" /><figcaption>Figure 4 : Evolution des températures et des teneurs en eau dans la paroi en régime transitoire - Comparaison des valeurs expérimentales avec le modèle hydrothermique.</figcaption></figure>
## 5. CONCLUSION

Ce travail présente une comparaison entre une expérience menée sur une paroi en béton de chanvre et un modèle thermo-hydrique tenant compte du couplage entre transferts de chaleur et transferts de masse. La séquence de mesure étudiée montre l'intérêt de l'expérimentation mise en place pour appréhender le comportement en usage de ce type de matériau. Les simulations ont démontré la bonne prédiction du comportement thermique et la nécessité de développer une analyse complémentaire des transferts de matière.

## 6. REMERCIEMENT

Les auteurs remercient l'ANR pour le financement du projet « BETONCHANVRE » et la Région Bretagne pour le financement du projet « ECOMATX ».

## 7. BIBLIOGRAPHIE

* Association Construire en Chanvre : http://www.construction-chanvre.asso.fr/

* Bevan R., Woolley T. (2008), « Hemp Lime construction. A guide to building with hemp lime composites », Berkshire, IHS BRE Press.

* Boutin M.P., Flamin C., Quinton S., Gosse G. (2006), « Etude des caractéristiques environnementales du chanvre par l'analyse de son cycle de vie », Paris, Ministère de l'agriculture et de la pêche.

* Cerezo. V. (2005), « Propriétés mécaniques, thermiques et acoustiques d'un matériau à base de particules végétales », Thèse de doctorat, INSA de Lyon, ENTPE.

* Collet. F. (2004), « Caractérisation hydrique et thermique de matériaux de génie civil à faibles impacts environnementaux », Thèse de doctorat, INSA de Rennes.

* Evrard A. (2008), « Transient hygrothermal behaviour of Lime-Hemp Materials » Thèse de doctorat, Université catholique de Louvain.

* Glouannec P., Chauvelon P., Colinart T., Le Bideau P., Zaknoune A., Jameladine N. (2010), « Experimental and numerical studies of the drying of hemp concrete », *17th International Drying Symposium*, Magdeburg.

* Hallyday S. (2008) « Sustainable construction », Burlington, MA, Elsevier.

* Krus M. (1996), « Moisture transport and storage coefficient of porous mineral building materials. Theoretical principles and new test methods ». Thèse de doctorat, Fraunhofer.

* Luikov AV. (1975), « Systems of differential equations of heat and mass transfer in capillary porous bodies », Oxford, Pergamon Press.

* Philip J.R., De Vries D.A. (1957), « Moisture movement in porous material under temperature gradients », *Transaction of the American Geophysical Union*, vol 38, p. 222-232.

* Samri D. (2008), « Analyse physique et caractérisation hygrothermique des matériaux de construction : approche expérimentale et modélisation numérique », Thèse de doctorat, INSA de Lyon, ENTPE.

* Whitaker S. (1977), « Simultaneous heat, mass, and momentum transfer in porous media: a theory of drying », *Advance in Heat Transfer*, Vol 54, p. 13.119-13.203.

* Zaknoune A., Glouannec P., Salagnac P., Chauvelon P. (2009), « Estimation of hydrous diffusion coefficients of building materials during drying », *Colloque AFSIA - EFCE WP Drying*, AFSIA n°23, p. 32-33.