Ce travail concerne une étude expérimentale du comportement hygrothermique de matériaux bio-sourcés sous la forme de briques de terre comprimée (BTC) et de briques de terre stabilisée (BTS). Nous avons déterminé les propriétés thermo-physiques et les isothermes de sorption de ces matériaux et évalué l'influence de l'ajout de stabilisants chimiques (ciment et chaux), sur leurs conductivités thermiques et leurs capacités hygroscopiques. Cette étude est complétée par une modélisation et une simulation numérique des transferts de chaleur et de masse dans une cavité ventilée dont l'une des parois verticales est composée de BTC. Les transferts hygrothermiques dans la paroi, assimilée à un milieux poreux, et dans la cavité ventilée sont décrits respectivement par le modèle de Luikov et les équations classiques de la convection mixte. Ces équations de transferts sont résolues par une méthode implicite aux différences finie, la méthode itérative de Gauss-Seidel et l'algorithme de Thomas. Nous avons analysé l'influence de la température, de l'humidité relative et de la vitesse de l'air ambiant, la densité du flux de chaleur appliqué sur la face externe de la paroi ainsi que la nature du matériau bio-sourcé sur les transferts hygrothermiques dans cette paroi et l'écoulement d'air dans la cavité. Les résultats montrent que la stabilisation chimique augmente la conductivité thermique de la BTC et réduit sa capacité de sorption. L'accroissement de la densité du flux de chaleur appliqué sur la face externe de la paroi de BTC provoque une augmentation des transferts de chaleur par mode latent et sensible entre la face interne de cette paroi et l'air qui s'écoule dans la cavité. / This work concerns an experimental study of the hygrothermal behavior of compressed earth bricks (CEB) and stabilized earth bricks (SEB). We determined its thermo-physical properties and sorption isotherms and evaluated the impact of the chemical stabilizers (cement and lime) addition on their thermal conductivities and hygroscopic capacities. This study is complemented by a modeling and numerical simulations of heat and mass transfers in a ventilated cavity one of its vertical walls is composed of CEB. The heat an mass transfers in this wall, assimilated to a porous medium, and in the ventilated cavity are respectively described by the Luikov model and the mixed convection equations. The transfer equations are solved using an implicit finite difference method, the Gauss–Seidel method and the Thomas algorithm. We have analyzed the effects on the heat and mass transfers within this wall and in the cavity of the temperature and relative humidity air, the inlet air velocity in the cavity and the heat flux density applied on the external face of the vertical wall composed of CEB. These results show that chemical stabilization increase the thermal conductivity of CEB and leads to a reduction in moisture sorption capacity. The increase of the heat flux density applied to the external face of the wall composed of CEB leads to an augmentation of the latent and sensible heat transfers between the inner face of this wall and the air flowing in the cavity.

Le présent travail a pour objectif de comprendre l’influence des paramètres géométriques des éco-matériaux d’enveloppe, tels que le béton de chanvre, sur les mécanismes de transferts couplés de chaleur, d'air et d’humidité afin de prédire le comportement du bâtiment dans le but de le piloter et de l’améliorer dans sa durabilité. Pour cela, une approche multi-échelle est mise en place. Elle consiste à maîtriser les phénomènes physiques dominants et leurs interactions à l’échelle microscopique. S’ensuit, une modélisation à double échelle, microscopique–macroscopique, des transferts couplés de chaleur, d’air et d’humidité qui prend en compte les propriétés intrinsèques et la topologie microstructurale du matériau moyennant le recours à la tomographie rayon X conjuguée à la corrélation d’images 2D et 3D. Pour cela, une campagne de caractérisation fine des propriétés physiques et hygrothermiques du béton de chanvre confectionné au laboratoire a été réalisée. Elle s’est focalisée sur l’étude de l’impact du vieillissement, l’état thermique et hydrique du matériau sur ses propriétés intrinsèques. Les résultats montrent une excellente capacité d'isolation thermique et de régulation naturelle d’humidité du béton de chanvre. Puis, une caractérisation microscopique par différentes techniques d’imagerie a été effectuée. Les reconstructions 3D du matériau réel scanné au tomographe aux rayons X à différentes résolutions montrent que le béton de chanvre possède plusieurs échelles de porosité, allant de la microporosité au sein du liant et des chènevottes à la macroporosité inter-particulaire. Le comportement hygro-morphique sous sollicitations hydriques a été ensuite étudié. Les résultats de la corrélation d’image numérique 2D et de la tomographie aux rayons X couplés à la corrélation d’images volumiques, montrent la nature du comportement du béton de chanvre soumis à des hygrométries différentes. En effet, la chènevotte subit des déformations plus importantes que le liant, causant ainsi des modifications de la microstructure du matériau. Sur le volet de la modélisation, moyennant la technique d’homogénéisation périodique un modèle des transferts couplés de chaleur, d’air et d’humidité dans les matériaux poreux de construction a été développé. Les tenseurs de diffusion et de conductivité thermique homogénéisés ont été calculés numériquement. Ensuite, une confrontation entre les résultats du calcul des coefficients de diffusion macroscopique et ceux expérimentaux obtenus au LaSIE a été réalisée. Elle met en évidence la qualité de la prédiction. De plus, la conductivité thermique de la phase solide a été ainsi déduite. Les résultats obtenus dans le cadre de ce travail de thèse ont mis en exergue l’influence de l’état hydrique et thermique du béton de chanvre sur ces propriétés intrinsèques, et sa microstructure très hétérogène. Ils ont révélé aussi les limites des approches phénoménologiques basées sur l’établissement des bilans de masse, de quantité de mouvement et d’énergie. / The aim of this work is to understand the influence of the geometric parameters of envelope eco-materials, such as hemp concrete, on the mechanisms of coupled heat, air and moisture transfers, in order to predict behavior of the building to control and improving it in its durability. For this a multi-scale approach is implemented. It consists of mastering the dominant physical phenomena and their interactions on the microscopic scale. Followed by a dual-scale modeling, microscopic-macroscopic, of coupled heat, air and moisture transfers that takes into account the intrinsic properties and microstructural topology of the material using X-ray tomography combined with the correlation of 2D and 3D images. A characterization campaign of physical and hydrothermal properties of the hemp concrete manufactured in the laboratory was carried. It focused on studying the impact of aging, thermal and hydric state of the material on these intrinsic properties. The results show an excellent thermal insulation and natural moisture regulation capacity of hemp concrete. Then, a microscopic characterization by different imaging techniques was performed. The 3D reconstructions of the real material scanned with X-ray tomography at different resolutions show that hemp concrete has several scales of porosity, ranging from micro-porosity within the binder and hemp shiv to the inter-particle macro-porosity. The hydromorphic behavior under hydric solicitations was studied. The results of the 2D digital image correlation and X-ray tomography coupled with the volumetric image correlation show the nature of the behavior of hemp concrete subjected to different relative humidities. In fact, the hemp shiv undergoes greater deformations than the binder, thus causing changes in the microstructure of the material. On the modeling part, a model of coupled heat, air and moisture transfer in porous building materials was developed using the periodic homogenization technique. The homogenized tensors of diffusion and thermal conductivity were determined numerically. Then, a confrontation between the results of the calculation of the macroscopic diffusion coefficients and the experimental results obtained at the LaSIE was carried out. It highlights the quality of the prediction. In addition, the thermal conductivity of the solid phase was thus deduced. The results obtained in the framework of this PhD thesis have highlighted the influence of the hydric and thermal state of the hemp concrete on these intrinsic properties and its very heterogeneous microstructure. They also revealed the limitations of phenomenological approaches based on the establishment of the balances of mass, amount of motion and energy

Ces travaux de thèse s’inscrivent dans le cadre du projet ANR HUMIBATex « Comment prédire les désordres causés par l’humidité ? Quelles solutions techniques pour rénover le bâti existant ? » (2012-2016). Elle traite de la modélisation numérique et expérimentale des transferts couplés hydro-thermo-aérauliques à différentes échelles : matériau, paroi et ambiance de bâtiment. Sur le plan théorique, un modèle phénoménologique des transferts couplés de chaleur, d’air et d’humidité à travers les enveloppes de bâtiments (HAM) a été élaboré. Après la phase de validation (confrontation avec des solutions analytiques et des résultats expérimentaux), ce modèle a été implémenté avec confiance dans un code de simulation thermique dynamique du bâtiment (BES). Ceci a permis, ainsi, de développer une plateforme de co-simulation HAM-BES. Grâce à l’outil mis en œuvre, les comportements hygrothermiques de la paroi et de l’ambiance habitable des bâtiments ont été prédits finement. Deux cas d’études ont été entrepris. Le premier avait pour but de mettre en évidence l’impact des transferts hygrothermiques sur la prédiction des consommations énergétiques. Le deuxième cas d’étude a été dédié à l’étude de l’efficacité de différentes stratégies de ventilation (extraction ou insufflation) sur le contrôle et la diminution des risques d’apparition de désordres liés à l’humidité au niveau des bâtiments résidentiels. Sur le plan expérimental, une campagne de caractérisation des propriétés physiques, hydriques et thermophysiques des matériaux de construction a été effectuée. Cette campagne expérimentale s’est focalisée sur l’analyse de l’impact de l’état thermique et hydrique du matériau sur les valeurs des propriétés hygrothermiques. Dans un autre travail expérimental, des dispositifs expérimentaux, à petite échelle mais également à l’échelle de la paroi, ont été conçus au laboratoire dans le but d’étudier la réponse hygrothermique des enveloppes de bâtiment ainsi que valider la plateforme de co-simulation dynamique HAM-BES. La confrontation des résultats a montré une bonne concordance entre la résolution numérique et les mesures expérimentales. Les résultats obtenus dans le cadre de ce travail de thèse ont mis en exergue l’influence d’une modélisation fine des transferts couplés de chaleur, d’air et d’humidité, à la fois sur la prédiction du comportement hygrothermique des ambiances habitables mais aussi sur le calcul des besoins énergétiques des bâtiments. / The present PhD thesis work is conducted in the framework of the National Program ANR HUMIBATex Project « How to predict the disorders caused by moisture? What technical solutions to renovate the existing buildings? ». It deals with the numerical and experimental modeling of a coupled heat, air and moisture transfers at different scales: material, envelope and building ambience. In the theoretical part, based on expression of heat and moisture (vapor, liquid and air) balances equations, a phenomenological model describing the coupled heat, air and moisture transfer (HAM) through the wall has been developed. After validation stage (comparison with experimental results and analytical solution), the model has been implemented with confidence in a building energy simulation code (BES). Using this HAM-BES dynamic co-simulation tool, the hygrothermal behavior of the wall and indoor air of buildings were predicted finely. Two cases studies have been undertaken. The aim of the first one was to highlight the impact of hydrothermal transfers on the prediction of building energy consumption. However, the second case study was devoted to study efficiency of different ventilation strategies (extracting or insufflation) on the control and reduction of disorders caused by moisture in residential buildings. In the experimental part, a characterization campaign of physical, hydric and thermophysical properties of construction materials has been carried out. This experimental campaign has been focused on analyzing of the impact of thermal and hydric state of the construction material on the hygrothermal properties values. In another work, several experimental devices, at small-scale and wall scale, were designed in the laboratory to study the hygrothermal response of different building envelopes configuration and validate the developed HAM-BES dynamic co-simulation platform. Results of confrontation have showed good agreement between the numerical solution and experimental measurements.The obtained results in the framework of this PhD thesis have highlighted the influence of a detailed modeling of coupled heat air and moisture transfer through the wall on the hygrothermal behavior prediction of the indoor air, on assessment of pathology indicators and on the evaluation of the buildings energy loads.