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 cp chaleur massique, J.K-1.kg-1 D coef. de diffusion massique, m2.s-1 e épaisseur, m h coef. d’échange par convection, W.m-2.K-1 K perméabilité intrinsèque, m2 Ki perméabilité relative à la phase i Mv masse mol. de la vapeur d’eau, kg.mol-1 m masse, kg Pc pression capillaire, Pa Pvs pression de vapeur saturante, Pa q densité de flux de chaleur, W.m-2 R constante des gaz parfaits, J.mol-1.K-1 S saturation T température, °C X teneur en eau massique, kg.kg-1 Symboles grecs ε porosité λ conductivité thermique, W.m-1.K-1 ρ masse volumique, kg.m-3 μ viscosité dynamique, kg.m-1.s-1 Indices e extérieur eff effectif h humide i intérieur l liquide s solide v vapeur 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. 476 2ème Congrès International sur la Technologie et la Durabilité du Béton CITEDUB 2 27-29 Novembre 2011—ALGER, ALGERIE 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 g 450 450 450 Béton à billes de polystyrène Béton à copeaux de bois Béton à copeaux d’acier Sable g 1350 1350 1350 Eau g 225 225 225 Ajouts g 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 : X m ms ms (1) La saturation est calculée comme suit ([22], [23]) : S X s l (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 1 ,0 B é to n à b ille s d e p o ly sty rè n e B é to n à co p e a u x d e b o is B é to n à co p e a u x d 'a cie r C onductivité therm ique (W /m .°K ) 0 ,9 0 ,8 0 ,7 0 ,6 0 ,5 0 ,4 0 ,3 0 ,2 0 ,1 0 20 40 60 80 100 S a tu ra tio n (° / ° ) Figure 1 : Variation de la conductivité thermique en fonction de la saturation. 477 2ème Congrès International sur la Technologie et la Durabilité du Béton CITEDUB 2 27-29 Novembre 2011—ALGER, ALGERIE 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 (λ air = 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 C ond therm ique / C ond therm ique à l'état sec 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. 3 ,5 B é to n à b ille s d e p o lys tyrè n e B é to n à c o p e a u x d e b o is B é to n à c o p e a u x d 'a c ie r 3 ,0 2 ,5 2 ,0 1 ,5 1 ,0 0 20 40 60 80 100 S a tu ra tio n (°/ ° ) 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. 18 B é to n à b ille s d e p o lys tyrè n e B é to n à c o p e a u x d e b o is B é to n à c o p e a u x d 'a c ie r 2 14 -7 D iffusivité therm ique X 10 [m /s] 16 12 10 8 6 4 2 0 0 20 40 60 80 S a tu ra tio n (°/ ° ) Figure 3 : Variation de la diffusivité thermique en fonction de la saturation. 478 2ème Congrès International sur la Technologie et la Durabilité du Béton CITEDUB 2 27-29 Novembre 2011—ALGER, ALGERIE 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 : D Dl Dv K K l Pc l S (4) D eff M v Pvs f l R T S (5) Dl avec [22] : Dv (3) P M (6) f exp c v l R T 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]. avec 2 -1 v Coefficient de diffusion m assique (m s ) Dl D 1 ,2 0 E -0 0 9 1 ,0 0 E -0 0 9 8 ,0 0 E -0 1 0 6 ,0 0 E -0 1 0 4 ,0 0 E -0 1 0 2 ,0 0 E -0 1 0 0 ,0 0 E + 0 0 0 0 ,0 0 ,2 0 ,4 0 ,6 0 ,8 1 ,0 S a tu ra tio n (-) 2 -1 C oefficient de diffusion m assique (m s ) 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. 1 ,2 0 E -0 0 9 1 ,0 0 E -0 0 9 8 ,0 0 E -0 1 0 6 ,0 0 E -0 1 0 4 ,0 0 E -0 1 0 2 ,0 0 E -0 1 0 0 ,0 0 E + 0 0 0 0 ,0 0 ,2 0 ,4 0 ,6 0 ,8 1 ,0 S a tu ra tio n (-) Figure 5: Relation diffusivité hydrique-saturation du béton à copeaux d’acier pour une température de 20°C. 479 2ème Congrès International sur la Technologie et la Durabilité du Béton CITEDUB 2 27-29 Novembre 2011—ALGER, ALGERIE 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. -1 -1 C o n d u ctivité th e rm iq u e (W .m K ) C o n d u c tiv ité o b te n u e e x p é r im e n ta le m e n t M o d è le d e K r is h e r 0 ,3 6 7 8 8 0 ,1 3 5 3 4 0 ,0 0 0 ,0 2 0 ,0 4 0 ,0 6 0 ,0 8 0 ,1 0 E p a is s e u r ( 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 : q T 1 e 1 hi he (7) Les résultats sont portés sur la figure suivante : 3,0 1,0 0,6 2,0 0,4 0,2 1,5 Saturation (-) q h / qS 0,8 qh/qs Saturation 2,5 0,0 1,0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 Temps ( h ) 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 satu ration moyenne S par la corrélation établie expérimentalement : S 0,33138 S 2 0,97124 S 0,34686 480 (8) 2ème Congrès International sur la Technologie et la Durabilité du Béton CITEDUB 2 27-29 Novembre 2011—ALGER, ALGERIE La saturation est déterminée à tout instant à travers la paroi et la moyenne de celle-ci est calculée par la formule suivante : e S 1 S ( x ) dx e 0 (9) Le rapport des densités de flux (qh/qs) prend des valeurs très importantes lorsque la saturation moyenne est élevée et décroit au cours du séchage. Ceci montre l’influence de la teneur en eau sur le calcul des déperditions calorifiques et sur la consommation de l’énergie. 6. CONCLUSION Les résultats obtenus expérimentalement confirment que les caractéristiques thermiques sont fortement sensibles au taux de saturation en eau. La conductivité thermique croit avec la teneur en eau, ce qui conduit à un transfert de chaleur supplémentaire, et par conséquent, à une surconsommation d’énergie. Ce qui permet de mieux apprécier l’intérêt de la prise en compte des effets de celle-ci. Les calculs des charges thermiques des locaux doivent donc être corrigés et l’humidité doit être contrôlée par isolation massique sur l’enveloppe des bâtiments situés dans les endroits très humides. Références [1] C.S. Canby, A. Hepbasli, G. Gokcen, Evaluating performance indicesof a shopping centre and implementing HVAC control principles tominimize energy usage, Energy Buildings 36 (2004) 587598. [2] P.M. Bluyssen, C. Cox, O. Seppa¨nen, E.O. Fernandes, G. Clausen, B.Mu¨ ller, C.-A. Roulet, Why, when and how do HVAC-systems pollute the indoor environment and what to do about it? The European AIRLESS project, Building Environ. 38 (2003) 209–225. [3] L. Lu, W. Cai, L. Xie, S. Li, Y.C. Soh, HVAC system optimization—in-buiding section, Energy Buildings 37 (2005) 11–22. [4] Y. Yao, Y. Jiang, S. Deng, Z. Ma, A study on the performance of the airside heat exchanger under frosting in an air source heat pump water heater/chiller unit, Int. J. Heat Mass Transfer 47 (2004) 3745–3756. [5] S. Sieniutycz, P. Kuran, Nonlinear models for mechanical energy production in imperfect generators driven by thermal or solar energy,Int. J. Heat Mass Transfer 48 (2005) 719–730. [6] M.J. Huang, P.C. Eames, B. Norton, Thermal regulation of building integrated photovoltaics using phase change materials, Int. J. Heat Mass Transfer 47 (2004) 2715–2733. [7] A.S. Kaiser, M. Lucas, A. Viedma, B. Zamora, Numerical model of evaporative cooling process in a new type of cooling tower, Int. J.Heat Mass Transfer 48 (2005) 986–999. [8] C.J. Simonson, M. Salonvaara, T. Ojanen, Moderating indoor conditions with hygroscopic building materials and outdoor ventilation, ASHRAE Trans. 110 (2) (2004) 804–819. [9] C.J. Simonson, M. Salonvaara, T. Ojanen, Heat and mass transfer between indoor air and a permeable and hygroscopic building envelope, Part I – field measurements, J. Therm. Env. Bldg. Sci. 28 (1) (2004) 63–101. [10] C. Simonson, T. Ojanen, M. Salonvaara, Humidity, comfort and air quality in a bedroom with hygroscopic wooden structures, in: Proceedings (CD) of the Performance of Exterior Envelopes of Whole Buildings, IX International Conference, Clearwater Beach, Florida, 2004, 8 p. [11] R. Peukhuri, C. Rode, K.K. Hansen, Moisture buffering capacity of different insulation materials, in: Proceedings (CD) of the Performance of Exterior Envelopes of Whole Buildings, IX International Conference, Clearwater Beach, FL, USA, 2004, 14 p. [12] M. Salonvaara, T. Ojanen, A. Holm, H.M. Kunzel, A.N. Karagiozis, Moisture buffering effects on indoor air quality – experimental and simulation results, in: Proceedings (CD) of the Performance of Exterior Envelopes of Whole Buildings, IX International Conference, Clearwater Beach, Florida, 2004, 11 p. [13] K. Svennberg, L. Hedegaard, C. Rode, Moisture buffer performance of a fully furnished room, in: Proceedings (CD) of the Performance of Exterior Envelopes of Whole Buildings, IX International Conference, Clearwater Beach, Florida, 2004, 11 p. 481 2ème Congrès International sur la Technologie et la Durabilité du Béton CITEDUB 2 27-29 Novembre 2011—ALGER, ALGERIE [14] A. Belhamri, K. Rebahi, A. Chikhi , L. Bennamoun, Influence of the Saturation Rate on the Heat Transfert in Building Materials, Proceeding of the Third International Conference on Thermal Engineering: Theory and Applications, May 21-23, 2007, Amman, Jordan. [15] P.Talukdar, S.O. Olutmayin, O.F. Osanyintola, C.J. Simonson, An experimental data set for benchmarking 1-D, transient heat and moisture transfer models of hygroscopic building materials. Part I: Experimental facility and material property data, International Journal of Heat and Mass Transfer 50 (2007) 4527–4539,Elsevier. [16] C.-E. Hagentoft, A.S. Kalagasidis, B. Adl-Zarrabi, S. Roels, J. Carmeliet, H. Hens, J. Gruenwald, M. Funk, R. Becker, D. Shamir, O. Adan, H. Brocken, K. Kumaran, R. Djebbar, Assessment method of numerical prediction models for combined heat, air and moisture transfer in building components: benchmarks for one-dimensional cases, J. Therm. Env. Bldg. Sci. 27 (4) (2004) 327–352. [17] H.M. Kunzel, K. Kiessl, Calculation of heat and moisture transfer in exposed building components, Int. J. Heat Mass Transfer 40 (1) (1997) 159–167. [18] P. Haupl, J. Grunewald, H. Fechner, H. Stopp, Coupled heat air and moisture transfer in building structures, Int. J. Heat Mass Transfer 40 (7) (1997) 1633–1642. [19] M.I. Khan, Factors affecting the thermal properties of concrete and applicability of its prediction models, Building and Environment 37 (2002), 607 – 614. [20] M. Filali, Conductivité thermique apparente des milieux granulaires soumis à des contraintes mécaniques - Modélisation et mesures, thèse de doctorat 2006, Institut National Polytechnique de Toulouse. [21] M. S. Goual, A. Bali, M. Queneudec T’kint, Influence de la température et de la teneur en humidité sur la conductivité thermique des béton argileux cellulaires, A.J.O.T, International Publication, Série A, Vol.15, N°1, 2002. 22 A. Belhamri, Etude des transferts de chaleur et de masse à l’interface d’un milieu poreux au cours du séchage, Thèse de doctorat, Université de Poitiers, 1992. [23] P. Salagnac, P. Gouannec, D. Lecharpentier, Numerical modeling of heat and mass transfer in porous medium during combined hot air, infrared and microwaves drying, International Journal of Heat and Mass Transfer 47 (2004), 4479-4489. [24] P. Meukam, Y. Jannot, A. Noumowe, T. C. Kofane, Thermo physical characteristics of economical building materials, Construction and Building Materials, 18 (2004), 437-443. [25] Y. Billard, Contribution à l’étude des transferts de fluides au sein d’une paroi en béton, Thèse de Doctorat, Ecole doctorale des sciences pour l’ingénieur de Lyon, 2003. 26 P. Crausse, J.P. Laurent, B. Perrin, Influence des phénomènes d’hystérésis sur les propriétés hydriques de matériaux poreux, Revue Générale de Thermique, 35 (1996),95-106. 482
