Compression behavior and energy absorption of bio-based building materials
Le secteur du bâtiment et de la construction représente 36 % de la consommation finale d'énergie et 39 % des émissions de dioxyde de carbone. Améliorer l'efficacité énergétique des bâtiments est la stratégie la plus efficace pour réduire la consommation d énergie et les émissions de gaz à...
Guardat en:
| Autor principal: | |
|---|---|
| Altres autors: | , , , , , |
| Format: | Thèse numérique |
| Idioma: | Anglais |
| Publicat: |
2023.
|
| Matèries: | |
| Accés en línia: | Accès au texte intégral http://www.theses.fr/2023ISAB0008/abes |
| Nota: |
Titre provenant de l'écran-titre Ecole(s) Doctorale(s) : École doctorale Énergie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers (Centre-Val de Loire ; 2012-....) Partenaire(s) de recherche : Laboratoire de mécanique Gabriel Lamé (Orléans ; 2018-....) (Laboratoire) Autre(s) contribution(s) : Franck Delvare (Président du jury) ; Patrice Bailly, Franck Delvare, Stéphanie Bonnet, Yassine El Mendili, Jean-Luc Hanus, Naïma Belayachi (Membre(s) du jury) ; Stéphanie Bonnet, Yassine El Mendili (Rapporteur(s)) |
| Autres localisations: | Voir dans le Sudoc |
| Variante du titre: | Comportement et absorption d énergie en compression de matériaux de construction biosourcés |
| Sumari: | Le secteur du bâtiment et de la construction représente 36 % de la consommation finale d'énergie et 39 % des émissions de dioxyde de carbone. Améliorer l'efficacité énergétique des bâtiments est la stratégie la plus efficace pour réduire la consommation d énergie et les émissions de gaz à effet de serre. La solution privilégiée est l utilisation de matériaux à fort pouvoir d isolation dans les bâtiments. Parmi ceux-ci, les matériaux durables bio-sourcés tels que ceux à base agrégats d'origine végétale et de liants à base de chaux, présentent de nombreux avantages comme leur coût réduit, leur légèreté, leur importante disponibilité notamment en région Centre Val de Loire et leur biodégradabilité.Pour ce travail, des fibres de paille de blé, un liant à base de chaux et de pouzzolane et des additifs ont été utilisés en tant qu éléments constitutifs de matériaux biosourcés. Les travaux réalisés jusqu à présent sur ce type de matériau se sont principalement concentrés sur les propriétés thermiques et hydriques, plutôt que sur les propriétés mécaniques. Utilisés comme matériaux de construction, ces composites doivent toutefois présenter des propriétés mécaniques minimales leur permettant de supporter leur poids propre. En raison de la très forte porosité des fibres de paille, ces matériaux présentent un fort potentiel d absorption d énergie lors du processus de déformation.Par conséquent, l'objectif de cette étude est d'améliorer la connaissance des propriétés mécaniques et d évaluer les propriétés d absorption d énergie de bio-composites à base de paille et de chaux pour permettre un choix plus rationnel de leurs applications. L'accent principal est mis sur la compréhension des propriétés mécaniques au moyen d approches analytiques d estimation des propriétés d élasticité et de campagnes d essais de compression et de flexion trois points.Dans cette étude, trois formulations de biocomposite chaux-paille ont été réalisées avec une fraction de fibre sur liant de 20, 30 et 40%. Pour les tests de compression, nous avons utilisé une machine d'essai électromécanique avec une cellule d effort de 100 kN. Les essais ont été conduits suivant les deux directions principales d orientation des fibres en lien avec le procédé de fabrication et à trois vitesses de chargement. Les essais ont été filmés avec une caméra à haute résolution permettant de mieux appréhender les différentes phases de la réponse en compression : élasticité linéaire, compaction et densification. Le post-traitement de la séquence par Corrélation d Images Numériques en donnant accès aux champs de déplacement et de déformation à la surface de l échantillon a permis de mettre en évidence le passage d une réponse homogène à hétérogène dans la phase plateau et d évaluer les propriétés d élasticité en s affranchissant des rattrapages de jeu et des imperfections de surface initiales. Les résultats obtenus à partir des approches analytiques pour les propriétés élastiques ont ensuite été comparés aux valeurs issues des mesures expérimentales.En outre, cette thèse a également étudié le comportement en flexion de poutres chaux-paille. Des tests de flexion en trois points ont été réalisés sur des échantillons dans une direction de chargement orthogonale à la direction des fibres et pour les différents ratios de paille-liant à trois vitesses de chargement différentes. Tout comme pour les tests de compression, la méthode de Corrélation d Images Numériques a été utilisée pour accéder aux déplacements et déformations à la surface des échantillons.Par l étude des réponses globales des échantillons appuyées par des mesures de champs, l'étude a mis l'accent sur les effets du ratio de paille-liant, du type et de la direction du chargement, sur la sensibilité à la vitesse des déformations des propriétés mécaniques et d absorption d énergie des matériaux chaux-paille. The building and construction sector is estimated to be responsible for 36% of final energy usage and 39% of carbon dioxide emissions. Enhancing energy efficiency in buildings is a highly effective strategy for reducing greenhouse gas emissions. One of the most impactful solutions is to reduce energy requirements for heating buildings. Therefore, the development of high-performance thermal insulation materials, with a focus on environmental responsibility and green credentials, is increasingly imperative. The use of sustainable raw materials, such as plant-based aggregates and lime-based binders, as bio-based building materials provides numerous advantages: low cost, lightweight, wide and local availability in the Région Centre Val de Loire, and biodegradability.In this study, wheat straw, a lime and pozzolanic binder, and additives were utilized to produce bio-based building materials. Previous studies have primarily focused on the thermal and hydric properties of these materials, rather than on mechanical aspects. However, it is equally important to comprehend their mechanical responses when considering them as building elements. Additionally, due to the high porosity of bio-based aggregates, these materials have a kind of cellular structure that greatly increases their capacity to absorb energy during the deformation process.Accordingly, the objective of this study is to enhance the understanding and assessment of lime straw-based bio-composite materials by exploring their mechanical performance and energy absorption properties. The main focus lies in comprehending the mechanical properties through compression and three-point bending tests, as well as analyzing their energy absorption characteristics and predicting their linear elastic properties by analytical approaches. The findings and strategies derived from these investigations aim to facilitate the effective utilization and mastery of bio-based materials in building design, taking into account a variety of stress conditions and actual usage scenarios.In this study, firstly, we mixed the lime-based binder with wheat straw, a crop by-product, to create lime-straw-based composite materials. Three formulations with different straw to binder ratios were selected, along with adapted manufacturing procedures.For compression tests, an MTS electromagnetic testing machine with a dial gauge capacity of 100 kN was utilized. The specimens were subjected to two loading directions relative to the main fiber orientation, as well as three different loading speeds. The force and displacement values obtained from the electromagnetic testing machine allowed us to characterize the global mechanical behavior and energy absorption of the materials. Additionally, a high-resolution camera was used to capture image sequences. The Digital Image Correlation post-processing technique provided a comprehensive access to local displacement and strain fields on the front surface of the specimen allowing an analysis of the homogeneity of the deformations during the different phases of the compression and crushing process as well as an evaluation of elasticity constants less sensitive to initial surface imperfections and mechanical looseness. Furthermore, the results obtained from the analytical approaches for elastic properties were compared to the experimental investigation values.In addition, this thesis also investigated the flexural response of lime-straw beam-based building materials. Three-point bending tests were performed on specimens in an orthogonal loading directions and for various straw-to-binder ratios, and at the three loading speeds. Similar to the compressive tests, the DIC method was employed to analyze the strains and displacements of lime-straw composite beams.By considering both global and local values, we were able to assess the influence of straw-to-binder ratios, type and loading directions, and strain rates on mechanical and energy absorption properties. |
|---|---|
| Descripció de l’ítem: | Titre provenant de l'écran-titre Ecole(s) Doctorale(s) : École doctorale Énergie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers (Centre-Val de Loire ; 2012-....) Partenaire(s) de recherche : Laboratoire de mécanique Gabriel Lamé (Orléans ; 2018-....) (Laboratoire) Autre(s) contribution(s) : Franck Delvare (Président du jury) ; Patrice Bailly, Franck Delvare, Stéphanie Bonnet, Yassine El Mendili, Jean-Luc Hanus, Naïma Belayachi (Membre(s) du jury) ; Stéphanie Bonnet, Yassine El Mendili (Rapporteur(s)) |
| Format: | Configuration requise : un logiciel capable de lire un fichier au format : PDF |
| Accés: | Thèse soumise à l'embargo de l'auteur jusqu'au 01 janvier 2026 |