Les nouvelles réglementations thermiques, plus strictes, ont rendu nécessaire la prise en compte des transferts de masse dans les parois de bâtiment et leur interaction avec les transferts thermiques, particulièrement dans le cas de celles composées de matériaux poreux très hygroscopiques.Le dispositif expérimental est composé de deux parois montées et testées sur des cellules PASSYS orientables et à l'ambiance intérieure régulée, situées sur le site du CEA-INES au Bourget du Lac. Les parois, à ossature bois et à l'isolation en fibre de bois, ont été testées sous différentes conditions intérieures et extérieures, en fonction respectivement des consignes en température et en humidité, et de l'orientation. Les mesures expérimentales longues d'une année ont mis en évidence l'influence des fluctuations en humidité sur le comportement thermique des parois testées, et inversement de l'influence des températures sur l'humidité dans les parois.Un modèle numérique a été mis en oeuvre afin de simuler les phénomènes observés en conditions expérimentales. Le modèle, développé sur l'outil DYMOLA, a été validé par une comparaison avec d'autres modèles numériques existants, lors d'un benchmark sur des mesures expérimentales en conditions contrôlées. Il a ensuite été simulé les séquences expérimentales en conditions extérieures de ce travail. La comparaison des résultats numériques et expérimentaux ont mis en évidence un concordance des mesures de température, mais une divergence pour les mesures en humidité. Des ajustements paramétriques ont mis en évidence une surestimation de l'inertie hygrique combinée à une sous-estimation de la perméabilité à la vapeur du modèle numérique en comparaison aux séquences expérimentales. Une inadéquation des propriétés des matériaux telles que prises en compte généralement dans les modèles numériques, avec les conditions expérimentales dans lesquelles elles sont relevées est soulignée. / More stringent thermal regulations, made necessary the inclusion of mass transfer in building walls and their interaction with heat transfer, particularly for those composed of porous and highly hygroscopic materials.The experimental device consists of two walls mounted and tested on PASSYS orientable cells, with controlled indoor environment, located on the CEA-INES site in Le Bourget du Lac. The wood framed walls, with a wood fiber insulation were tested under different internal and external conditions, depending respectively on internal monitored temperature and humidity, or orientation. The one-year long experimental measurements have shown the influence of moisture fluctuations on the thermal behavior of the tested walls, and also the influence of temperature on the moisture in the walls.A numerical model was used to simulate the phenomena observed in experimental conditions. The model, developed on DYMOLA was firstly validated by a comparison with other existing numerical models, during a benchmark on experimental measurements under controlled conditions. It was then used to simulate experimental sequences on external conditions of this work. Comparing the numerical and experimental results have shown a correlation of the temperature measurements, but a difference for the moisture measurements. Parametric adjustments showed an overestimation of the Hygric inertia combined with an underestimation of the vapor permeability of the numerical model compared to experimental sequences. A mismatch of material properties such as reflected generally in the numerical models with the experimental conditions in which they are recorded is underlined.

La salissure des modules photovoltaïques (PV) dégrade grandement leurs performances dans les environnements désertiques. Les études précédentes en extérieur ont tendance à trouver de faibles corrélations entre les taux de salissure et les paramètres météorologiques. On pensait que l'une des raisons était le long intervalle de mesure - jours ou semaines - des techniques traditionnelles de mesure des salissures sur le terrain. Dans la présente étude, un «microscope de souillure extérieur» (OSM) a été développé pour mesurer le dépôt et le détachement de particules de poussière individuelles, toutes les 10 minutes, dans des conditions extérieures, de jour comme de nuit. En utilisant une paire d'OSM graissés et non graissés, il était en outre possible de séparer les salissures en trois vitesses de flux de poussière de composants - dépôt, rebondissement immédiat et remise en suspension retardée. Les OSM ont été utilisés pour mesurer les taux de flux dans des expériences sur le terrain à Doha, au Qatar. La nouvelle méthode a révélé des effets explicatifs de paramètres environnementaux qui avaient auparavant été obscurcis par de longs intervalles de mesure des salissures et des taux de flux de poussière confondus. L'OSM pouvait également mesurer l'apparition et la croissance de gouttelettes de condensation microscopiques dans des conditions de terrain et de laboratoire. De telles expériences, ainsi que des mesures isothermes et des analyses de composition, ont démontré que la condensation sur les surfaces sales au terrain d’études était fortement influencée par la présence de matière hygroscopique dans la poussière autre que NaCl. En raison de cette matière, la condensation microscopique peut persister à la surface même si elle est bien supérieure à la température du point de rosée. Les résultats de l'étude suggèrent que la souillure des modules photovoltaïques pourrait être atténuée en tirant parti des variations naturelles des conditions météorologiques au cours de la journée. / Soiling of photovoltaic (PV) modules greatly degrades their performance in desert environments. Previous field studies have tended to find weak correlations between the soiling rate and weather parameters. It was thought that one reason was the long measurement interval — days or weeks — of conventional field soiling measurement techniques. In the present study, an “outdoor soiling microscope” (OSM) was developed able to measure deposition and detachment of individual dust particles, every 10 minutes, in outdoor conditions, day and night. By using a greased and ungreased pair of OSMs, it was further possible to separate soiling into three component dust flux rates — deposition, immediate rebound, and delayed resuspension. OSMs were used to measure flux rates in field experiments in Doha, Qatar. The novel method revealed explanatory effects of environmental parameters that had previously been obscured by limits of conventional long soiling measurement intervals and confounded dust flux rates. The OSM could also measure the onset and growth of microscopic condensation droplets in field and laboratory settings. Such experiments, along with isotherm measurements and composition analysis, demonstrated that condensation on soiled surfaces at the test site was strongly influenced by the presence of hygroscopic matter in the dust other than NaCl. Because of such matter, microscopic condensation could persist on both hydrophilic and hydrophobic surfaces well above the dew-point temperature. Results of the study suggest that soiling of PV modules might be mitigated by taking advantage of natural time-of-day variations in weather conditions.

Face à la problématique énergétique du bâtiment et l’impact environnemental lié, il apparait que les enveloppes hygroscopiques sont une piste prometteuse en termes d’amélioration du confort thermique, de qualité de l’air intérieur, de consommation énergétique et de régulation de l'humidité intérieure. Aujourd'hui, on manque de valeurs de référence du comportement hygrothermique transitoire de ce type d’enveloppes. La physique des transferts hydriques dans les matériaux hygroscopiques, aptes à fixer l’humidité, est complexe et rend difficile la modélisation des transferts couplés de chaleur et de masse. Une approche expérimentale et numérique du comportement thermo hydrique des enveloppes hygroscopiques a donc été menée avec une caractérisation multi-échelle. Ainsi, le monitoring de quatre maisons habitées a été sujet de caractérisation au niveau de la première échelle. L’étude à l'échelle du matériau a permis de caractériser les propriétés liées aux transferts de chaleur et de masse. Le couplage thermo-hydrique a fait l'objet d'une étude spécifique à l'échelle de la paroi. Les implémentations différences finies et éléments finis ont abouti à une analyse fine des transferts à l'échelle de cellules-test avec un travail de réduction d'ordre nécessaire pour limiter les temps de calcul. L’accent est mis sur les effets de l’humidité apportés dans les ambiances intérieures afin de valider un outil numérique développé dans ce travail. Les enveloppes hygroscopiques choisies sont composées de matériaux biosourcés tels que le bois massif, le béton de bois, la terre et paille. Les enveloppes de travertin et de plaques de plâtre sont également étudiées. / In front of the building energy issues and environmental impact bound, it appears that the hygroscopic envelopes are a promising track in terms of improving of the thermal comfort, indoor air quality, energy consumption and indoor humidity regulation. Today, we lack reference values of the transient hygrothermal behavior of this envelope type. The physics of moisture transfer in hygroscopic materials (capable to fixing moisture) is complex and makes it difficult modeling of coupled heat and mass transfers. Experimental and numerical approaches of hygrothermal behavior in hygroscopic envelops was therefore conducted with a multi-scale visions. Thus, monitoring of four habited houses was the characterization focus at the first scale. The study on the material scale allowed to characterize the properties related to the heat and mass transfer. The hygrothermal coupling has been the subject of a specific study at a wall scale. Finite differences and finite elements implementations have resulted in a detailed analysis of transfers across cell-test with a reduction work of order required to limit the calculation time. Emphasis is placed on the effects of moisture brought in indoor environments in order to validate a digital tool developed in this work. The selected hygroscopic envelopes are composed of biosourced materials such as massive wood, wood concrete, earth and straw. Envelopes of travertine and plasterboard are also studied.

Les renforts à base de fibres de lin sont aujourd’hui une alternative capable de concurrencer les fibres synthétiques conventionnelles puisqu’ils sont écologiques, économiques et présentent des propriétés mécaniques intéressantes. Cependant, leur inconvénient majeur est leur absorption d’eau potentiellement importante qui affecte leurs propriétés mécaniques. Ce projet de recherche propose d’étudier le comportement hygroscopique et le couplage hygro-mécanique dans les composites lin / époxy. Cette étude repose sur une approche expérimentale multi-échelle et une modélisation du comportement visco-élasto-plastique avec prise en compte du couplage hygro-mécanique des composites renforcés par des fibres de lin. Les cinétiques de diffusion dans l’époxy et dans le composite ont été modélisées par une loi de type Langmuir et Fick respectivement. Les coefficients d’hygro-expansion des composites et des fils élémentaires qui constituent le renfort tissu ont été déterminés expérimentalement. Une étude de l’influence du conditionnement jusqu’à saturation à différentes humidités relatives sur le comportement mécanique dans les trois directions du stratifié a également été menée. Cette étude a montré l’existence d’une teneur en eau optimale pour laquelle les propriétés mécaniques sont optimales. L’émergence d’un comportement à deux régions linéaires a été mise en évidence et attribuée à la présence d’hétérogénéités locales au sein du renfort tissu. Des essais de fluage / recouvrance et de relaxation / effacement ont permis de mettre en place un modèle visco-élasto-plastique avec prise en compte du couplage hygro-mécanique. Ce modèle offre de bonnes capacités de prédiction et permettra de prévoir le comportement des structures composites renforcés par des fibres de lin en atmosphère humide. / Flax fibre reinforcements are nowadays an alternative able to compete with conventional synthetic fibres since they are ecological, economic and have interesting mechanical properties. However, their major drawback is their potentially significant water absorption which affects their mechanical properties. This research project proposes to study the hygroscopic behaviour and hygro-mechanical coupling in flax / epoxy composites. This study is based on a multi-scale experimental approach. A modelling of visco-elasto-plastic behaviour taking into account the hygro-mechanical coupling within flax /epoxy composites is established. The diffusion kinetics in composites were modelled by a Fick law. However, the diffusion kinetics in epoxy were modelled by a Langmuir law. The hygro-expansion coefficients of the composites and the elementary yarns that constitute the fabric reinforcement were determined experimentally. A study of the influence of conditioning until saturation at different relative humidities on the mechanical behaviour in the three main directions of the laminates was conducted. This study showed the existence of an optimal water content for which the mechanical properties are maximum. The emergence of a two-linear-region behaviour was pointed out and attributed to the presence of local heterogeneities within the fabric reinforcement. Creep / recovery and stress relaxation tests were exploited in order to develop a visco-elastoplastic model with consideration of the hygro-mechanical coupling. This model offers good predictive capabilities and could be used to predict the behaviour of flax fibres reinforced composite structures in humid atmospheres.

Cette étude vise à contribuer au développement d’un produit de construction à faible impact environnemental utilisant la terre crue. Pour cela, le comportement hygro-mécanique de la terre crue compressée à haute pression par une technique novatrice mise au point dans ce projet a été caractérisé. De plus, plusieurs méthodes de stabilisation ont été évaluées afin d’améliorer la durabilité de ce matériau, notamment vis-à-vis de l’érosion induite par l’eau. Une vaste campagne d’essais expérimentaux a été menée sur ces matériaux stabilisés ou non, à deux échelles différentes : les caractérisations des échantillons cylindriques (petite échelle) ont tout d’abord permis de sélectionner la formulation optimale. Par la suite, les tests menés à grande échelle sur les briques de terre compressée ont contribué à développer un produit pour la construction. Une nouvelle technique de fabrication basée sur l’application d’une contrainte de compactage très élevée (hyper-compactage) a été mise au point. Son objectif principal est d’augmenter la densité du matériau afin d’améliorer ses performances mécaniques. Les échantillons compactés par la méthode proposée présentent une densité sèche d’environ 2320 kg/m3, ce qui représente la valeur la plus élevée jamais enregistrée dans la littérature pour une terre non stabilisée. Les effets de la contrainte de compactage sur la microstructure du matériau ont été analysés par intrusion au mercure et adsorption d’azote liquide. Les résultats montrent que l’augmentation de la contrainte de compactage réduit la porosité du matériau, majoritairement les grands pores inter-agrégats. Cependant, le compactage mécanique influence peu les petits pores intra-agrégats. L'approfondissement de la caractérisation des propriétés microstructurales des échantillons stabilisés constitue un développement intéressant de ce travail. La résistance et la rigidité des échantillons non stabilisés et stabilisés ont été mesurées. Ces essais mécaniques confirment que la méthode d'hyper-compactage permet d’améliorer grandement la réponse mécanique du matériau par rapport aux techniques de fabrication existantes. Ainsi, les briques réalisées présentent une résistance en compression comparable à celle-là des matériaux traditionnels de construction (e.g. terre stabilisée et briques en terre cuite). Pour compléter cette étude, des essais mécaniques à l’échelle paroi sont à mener. Le comportement hygroscopique des échantillons stabilisés et non stabilisés a été analysé par la mesure du paramètre MBV (i.e. Moisture Buffering Value), qui traduit la capacité d’échange avec la vapeur d’eau. Il s'avère que la terre non stabilisée possède une excellente capacité à absorber et relarguer l’humidité ambiante. Cette capacité est, par contre, réduite pour les échantillons stabilisés testés dans le cadre de cette étude. La caractérisation du comportement thermique de la terre compressée à haute pression ainsi que l’analyse expérimentale des transferts thermo-hygroscopiques à l’échelle paroi représentent deux compléments d'étude afin de préciser le comportement hygroscopique d'un mur à base de terre crue. Enfin, la durabilité par rapport à l’érosion induite par l’eau des briques stabilisées et non stabilisées a été estimée à travers les essais d’immersion, de succion et de contact qui sont prévus par la norme DIN 18945 (2013). Les briques stabilisées montrent une meilleure résistance à l’eau par rapport aux briques non stabilisées. Toutefois, des études supplémentaires sont nécessaires pour améliorer les méthodes de stabilisation garantissant la durabilité dans le cas d'applications structurelles exposées aux intempéries, tout en maintenant de bonnes performances hygro-mécaniques et un faible impact environnemental. / The present work explores the hygro-mechanical behaviour of a raw earth material and investigates different stabilisation techniques to improve the durability of the material against water erosion. An extensive campaign of laboratory tests was performed on both unstabilised and stabilised materials at two different scales: small cylindrical samples and large bricks. An innovative manufacturing method based on the application of very high compaction pressures (hypercompaction) was proposed. Also, the compaction load was maintained constant for a sufficient period of time to allow soil consolidation. The main objective was to increase material density, thus improving mechanical performance. Samples compacted with the proposed method exhibited a dry density of about 2320 kg/m3, which is the highest value registered in the literature for an unstabilised earthen material. The effect of the compaction pressure on the material fabric was assessed by means of mercury intrusion porosimetry and nitrogen adsorption tests. Results showed that the increase of compaction pressure reduced material porosity with major effects on large inter-aggregate pores. On the contrary, small intra-aggregate pores were not affected by the mechanical compaction. Mechanical tests were then performed to measure stiffness and strength of both unstabilised and stabilised samples. These tests demonstrated that hypercompaction can largely improve the mechanical response of the material over conventional manufacturing methods. Hypercompacted bricks showed a compressive strength comparable with that of traditional building materials, such as stabilised compressed earth and fired bricks. The hygroscopic behaviour of both unstabilised and stabilised samples was investigated. The capacity of the samples to absorb/release water vapour was assessed by measuring their moisture buffering value (MBV). Results showed that unstabilised earth has an excellent capacity to buffer ambient humidity. This capacity was significantly reduced by the different stabilisation techniques tested in the present work. Finally, the durability against water erosion of both unstabilised and stabilised bricks was assessed by performing different tests prescribed by the norm DIN 18945 (2013). Stabilised bricks exhibited a higher resistance against water erosion compared to unstabilised bricks. Still, these materials cannot be adopted for structural applications exposed to natural weathering as indicated by the norm DIN 18945 (2013). Therefore, further investigation is required to identify novel stabilisation methods that can balance the needs of sustainability, durability, moisture buffering and mechanical performance.

l'objectif de ce travail est d'analyser et de modéliser le transport d'un polluant dans la couche superficielle non saturée du sol. On se limite aux sols hygroscopiques pour lesquels les constituants de la phase liquide (eau+polluant) sont fortement liés à la phase solide. Les transferts de matière s'opèrent en phase liquide et gazeuse avec prise en compte du changement de phase liquide-gaz. Grâce à un dispositif original, on analyse tout d'abord les isothermes de désorption de l'eau, de l'heptane, du trichloréthylène (TCE) et du mélange eau+TCE dans deux sols ; l'un contenant de l'argile et de la matière organique ; l'autre, en provenance du Burkina Faso (BF) présente des proportions moindres de ces constituants. Le changement de phase liquide-gaz du TCE a fait l'objet d'une étude expérimentale dans le cas du sol du BF avec différentes conditions expérimentales en température et pression. L'ensemble des travaux bibliographiques et expérimentaux ont conduit à la proposition d'un modèle mathématique. La validation du modèle a porté sur le transfert d'eau seule par comparaison avec des expériences de transfert sur des colonnes. Ce modèle traduit particulièrement bien le flux d'eau à la surface et l'évolution des profils de teneur en eau. Ce modèle peut être utilisé dans l'état actuel pour décrire les transferts d'eau à l'interface sol-atmosphère en zone aride. Dans une deuxième partie, on examine le transfert du TCE dans la couche superficielle. Des études de sensibilité ont été menées sur l'épaisseur de la couche, la teneur en eau, la concentration initiale du TCE, la constante de Henry et du coefficient de changement de phase. Cette étude met en évidence l'importance des différents paramètres sur les transferts d'un composé organique volatil et donc sur les priorités de mener parallèlement des expériences en laboratoire et in situ.

Les modèles de chimie atmosphérique divergent fréquemment des mesures de concentrations en aérosols organiques secondaires (AOS) d'un facteur allant de 8 jusqu'à 100 parfois, et ce, dans différents environnements. Les processus de formation des AOS, encore insuffisamment compris et mal pris en compte dans les modèles ainsi que l'influence des paramètres environnementaux sur ces processus pourraient expliquer l'écart entre les concentrations d'AOS mesurées et modélisées. Dans ce contexte, ce travail se focalise en premier lieu sur la formation d'AOS dans l'ozonolyse du limonène à partir d'expériences réalisées en réacteur à écoulement (SAGE) et en chambre de simulation (LPCA). La phase particulaire a été caractérisée en termes de rendement, granulométrie, masse et seuil de nucléation des aérosols. L'influence de la présence de différents composés : butanol, toluène, acétone, acide acétique et méthylamine sur ces paramètres a été décrite et reportée ; ainsi, le rôle des intermédiaires de Criegee et des radicaux OH dans le processus de formation des AOS a été investigué. La seconde partie a consisté à étudier les AOS générés au cours de l'oxydation par les radicaux OH du 2-méthoxyphénol (guaiacol) et du 2,6-diméthoxyphénol (syringol). Les spectres IR de ces deux méthoxyphénols, des AOS issus de leur oxydation et des composés nitrés dérivés du guaiacol et du syringol ont été étudiés, expérimentalement par la spectroscopie IRTF-RTA et/ou théoriquement par des calculs DFT anharmoniques. Enfin, le caractère hygroscopique de ces aérosols a été reporté pour la première fois dans une cellule d'hydratation. / Atmospheric chemistry models frequently diverge from measurements of secondary organic aerosol (SOA) concentrations by a factor ranging from 8 to 100 in different environments. The gap between measured and modeled SOA could be explained by many formation processes that are still not well understood nor well incorporated into the models as well as the influence of environmental parameters on these processes. In this context, this research work focuses primarily on the formation of SOA in the ozonolysis of limonene through experiments carried out in a flow reactor (SAGE) and in a simulation chamber (LPCA). The particulate phase was characterized in terms of aerosol yield, size distribution, mass and nucleation threshold. The influence of the presence of different compounds : butanol, toluene, acetone, acetic acid and methylamine on these parameters has been described and reported and thus, the role of Criegee intermediates and OH radicals in SOA formation process is investigated. The second part consist of studying the SOA generated during the OH oxidation of 2-methoxyphenol (guaiacol) and 2,6-dymethoxyphenol (syringol). The IR spectra of these two methoxyphenols, the SOA formed through their oxidation and the nitro compounds derived from guaiacol and syringol have been studied experimentally by IRTF-RTA spectroscopy and/or theoretically by anharmonic DFT calculations. Finally, the hygroscopic character of these aerosols has been reported for the first time in a hydration cell.