Ali.CITEDUB 2

2ème Congrès International sur la Technologie et la Durabilité du Béton CITEDUB 2 27-29 Novembre 2011—ALGER, ALGERIE
EFFETS DE L’HUMIDITE SUR LES PROPRIETES THERMIQUES DE BETONS
CHARGES
CHIKHI Ali *, BELHAMRI Azeddine *, REBAHI Karima *
*Département de Génie Climatique, Faculté des sciences de l’ingénieur, Université Mentouri Constantine, 25000
Algérie
1. RESUME
Nous présentons dans cet article une étude de l’influence de la teneur en eau sur la conductivité et
la diffusivité thermiques de trois types de matériaux composites. Il s’agit de bétons renforcés de billes
de polystyrène, de copeaux d’acier et de copeaux de bois. Les résultats expérimentaux montrent que
les caractéristiques thermiques sont fortement dépendantes du taux de saturation en eau, d’où une
influence considérable sur le calcul des déperditions calorifiques et sur la consommation de l’énergie.
L’influence de la teneur en eau sur la diffusivité hydrique est aussi présentée dans ce travail.
Mots clés : Bétons chargés, Teneur en eau, Conductivité, Diffusivité.
NOMENCLATURE
cpchaleur massique, J.K-1.kg-1
Dcoef. de diffusion massique, m2.s-1
eépaisseur, m
hcoef. d’échange par convection, W.m-2.K-1
Kperméabilité intrinsèque, m2
Kiperméabilité relative à la phase i
Mvmasse mol. de la vapeur d’eau, kg.mol-1
mmasse, kg
Pcpression capillaire, Pa
Pvs pression de vapeur saturante, Pa
qdensité de flux de chaleur, W.m-2
Rconstante des gaz parfaits, J.mol-1.K-1
Ssaturation
Ttempérature, °C
Xteneur en eau massique, kg.kg-1
Symboles grecs
εporosité
λconductivité thermique, W.m-1.K-1
ρmasse volumique, kg.m-3
μviscosité dynamique, kg.m-1.s-1
Indices
eextérieur
eff effectif
hhumide
iintérieur
lliquide
ssolide
vvapeur
2. INTRODUCTION
Les installations de chauffage, de ventilation et de climatisation (CVC) consomment d’importantes
quantités d’énergie pour assurer des conditions de confort thermique à l’intérieur des bâtiments. Pour
faire face à leurs utilisations abusives, à l’accroissement des coûts et aux conséquences
catastrophiques sur l’environnement, beaucoup de recherches ont été développées dans ce sens.
Certaines études se consacrent à l’amélioration des performances des systèmes de CVC [1-7], d’autres
à la réduction des pertes et des gains de chaleur par l’enveloppe des immeubles [8-13].
Au cours des cinquante dernières années, de nombreux chercheurs se sont intéressés à l’étude des
transferts de chaleur et d’humidité dans les matériaux de construction, généralement poreux, et leurs
effets sur la consommation d’énergie et la durabilité du bâtiment [14-18].
Dans le domaine de la construction, la réduction de la consommation énergétique et les problèmes
environnementaux liés au recyclage des déchets industriels et domestiques sont des préoccupations
actuelles importantes qui nécessiteront de développer de nouvelles solutions pour l’avenir. Ces
solutions passent par l’amélioration des matériaux de construction existants tels que le béton.
L’introduction des ajouts « déchets » : copeaux d’acier, polystyrène ou de matériaux renouvelables :
bois, semble une solution intéressante. Les propriétés de ces matériaux permettent par rapport à un
béton classique de renforcer mécaniquement les structures, d’alléger le produit de base, de proposer
une meilleure isolation, d’améliorer l’inertie thermique et de recycler certains déchets.
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Les parties poreuses de la structure d’un bâtiment peuvent contenir une proportion d’eau libre très
variable. Cette humidité, outre les problèmes de durabilité qu’elle est susceptible de créer, peut en
particulier modifier sensiblement les performances thermiques. De nombreux travaux ([19], [20],
[21]…) montrent que les caractéristiques thermo-physiques des matériaux de construction sont liées
aux conditions d’utilisation, notamment à la température et à la teneur en eau. Dans ce travail, des
mesures sont effectuées sur des bétons chargés et les résultats sont appliqués sur un exemple de calcul.
3. DETERMINATION EXPERIMENTALE DES PROPRIETES THERMIQUES
La conductivité thermique est mesurée, en régime stationnaire, par la méthode des boîtes et la
diffusivité, en régime instationnaire, à l’aide de la méthode flash. Trois types de béton chargés ont été
utilisés : à billes de polystyrène, à copeaux de bois et à copeaux d’acier. Les dosages suivants ont été
retenus :
Ciment
Sable
Eau
Ajouts
g
g
g
g
Béton à billes de polystyrène
Béton à copeaux de bois
Béton à copeaux d’acier
450
450
450
1350
1350
1350
225
225
225
18
4,5
4,5
Tableau 1 : Composition des bétons étudiés.
Les mesures ont été effectuées entre l’état sec et l’état de saturation maximale. La masse sèche est
obtenue en plaçant l’échantillon dans une étuve à 105°C pendant 24 heures, il est ensuite imbibé dans
l’eau pendant 2 heures et pesé afin de déterminer sa teneur en eau par la relation suivante :
s
s
mmm
X
(1)
La saturation est calculée comme suit ([22], [23]) :
l
s
X
S 
(2)
La même procédure doit être répétée toutes les 2 heures pour déterminer la conductivité thermique
de l’état intermédiaire correspondant jusqu’à la saturation totale de l’échantillon.
4. RESULTATS ET DISCUSSIONS
4.1. Influence de la saturation sur la conductivité thermique
0 20 40 60 80 100
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0 B é to n à b ille s d e p o lystyrè n e
B éto n à co p e au x d e b o is
B éto n à co p e au x d 'acier
Conductivité therm ique (W /m .°K)
Saturation (°/ °)
Figure 1 : Variation de la conductivité thermique en fonction de la saturation.
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La conductivité thermique croit avec la saturation (teneur en eau). Ceci s’explique par le fait que la
présence d’une phase liquide dans le matériau poreux conduit à remplacer un milieu de faible
conductivité (λair = 0,026 W.m-1.K-1) par un autre milieu ayant une conductivité beaucoup plus
importante (λeau = 0,6 W.m-1.K-1), ce qui provoque un transfert de chaleur supplémentaire. Cette
propriété thermique varie aussi en fonction du type de béton à cause de leurs différentes
caractéristiques physiques (masse volumique, porosité…).
4.2. Rapport des conductivités thermiques
La figure 2 donne le rapport de la conductivité thermique du béton humide sur celle du béton sec en
fonction de la saturation. Ce dernier dépasse la valeur de 3 pour le béton à billes de polystyrène et 2,5
pour les autres types de béton. L’influence est donc significative.
0 20 40 60 80 100
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5 Béton à billes de polystyrène
Béton à copeaux de bois
Béton à copeaux d'acier
Cond thermique / Cond thermique à l'état sec
Saturation (°/ °)
Figure 2 : Variation du rapport des conductivités thermiques en fonction de la saturation.
4.3. Influence de la saturation sur la diffusivité thermique
Pour le béton à copeaux de bois, la diffusivité thermique présente un maximum pour une saturation
d’environ 60%, cela est dû à l’effet de la saturation sur la conductivité thermique d’une part, et sur la
chaleur volumique (ρcp) d’autre part. Des résultats semblables ont été trouvés par Meukam [24]. Pour
les deux autres types de béton, l’effet n’est pas visible, ce maximum doit probablement exister et doit
être au-delà des teneurs en eau atteintes dans nos expériences.
0 20 40 60 80
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18 Béton à billes de polystyrène
Béton à copeaux de bois
Béton à copeaux d'acier
Diffusivité thermique X 10 -7 [m 2/s]
Saturation (°/ °)
Figure 3 : Variation de la diffusivité thermique en fonction de la saturation.
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4.4. Influence de la saturation sur la diffusivité hydrique
La diffusivité hydrique, tenant compte des deux phases, liquide et vapeur, est calculée par la
relation :
vl DDD 
(3)
avec [22] :
 S
PKK
Dc
l
l
l
(4)
S
f
TR
PMD
D
l
vsveff
v
(5)
avec
TR
MP
f
l
vc
exp
(6)
Les paramètres alimentant ces expressions sont tirés de la bibliographie ([22], [25]). Les figures (4)
et (5) montrent l’influence de la saturation sur le coefficient de diffusion massique pour le béton à
copeaux d’acier. La discontinuité observée à faibles teneurs en eau est due essentiellement aux
difficultés de mesure des paramètres hydriques dans ce domaine. Il semble qu’à ces teneurs, une
modification du mode de fixation de l’humidité sur la structure poreuse se produise. Des résultats
similaires ont été reportés par Crausse [26].
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
0,00E+000
2,00E-010
4,00E-010
6,00E-010
8,00E-010
1,00E-009
1,20E-009
Coefficient de diffusion massique (m 2s-1 )
Saturation (-)
Figure 4 : Variation des coefficients de diffusion (de l’eau liquide et de la vapeur d’eau)
en fonction de la saturation pour le béton à copeaux d’acier.
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
0,00E+000
2,00E-010
4,00E-010
6,00E-010
8,00E-010
1,00E-009
1,20E-009
Coefficient de diffusion m assique (m 2s-1 )
Saturation (-)
Figure 5: Relation diffusivité hydrique-saturation
du béton à copeaux d’acier pour une température de 20°C.
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5. APPLICATION DES RESULTATS A UN MUR EXTERIEUR DE BATIMENT
Pour valider nos résultats expérimentaux, et à titre indicatif, une paroi extérieure simple de béton à
copeaux d’acier, soumise à des flux de chaleur et de masse de part et d’autre, est considérée.
5.1. Variation de la conductivité thermique à l’intérieur de la paroi :
Dans cette partie, on considère un transfert de chaleur de l’intérieur vers l’extérieur et une
migration de l’humidité dans le sens opposé. Les profils de la conductivité thermique (modèle de
Krisher et expérimentale) sont semblables (figure 6). Ce qui valide les résultats obtenus
expérimentalement.
0,00 0,02 0 ,04 0 ,0 6 0,08 0,10
0,13534
0,36788
Conductivité obtenue expérimentalement
M od èle d e K rishe r
C onductivité therm ique (W .m -1 K-1 )
E pais seur (m )
Figure 6 : Profil de la conductivité thermique au sein de la paroi.
5.2. Influence de l’état de saturation sur les bilans thermiques
Si on considère un transfert thermique monodimensionnel, en régime stationnaire, à travers la paroi
étudiée, la densité du flux de chaleur traversant ce mur est calculée par l’expression :
ei h
e
h
T
q11 
(7)
Les résultats sont portés sur la figure suivante :
Figure 7 : Influence de la teneur en eau sur la densité du flux de chaleur au cours du temps
(qh: densité du flux de chaleur à l’état humide ; qs: densité du flux de chaleur à l’état sec)
La conductivité thermique λ est déterminée en fonction de la saturation moyenne
S
par la
corrélation établie expérimentalement :
34686,097124,033138,0 2 SSS
(8)
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
qh/qs
Saturation
Temps ( h )
q h / qS
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
Saturation (-)
480