Lime Hempcrete consists of lime, water and hemp and creates an insulating, sound-absorbing, lightweight and environmentally friendly material that can be used in wall, roof and floor structures (Bevan & Woolley 2008). This construction method is not yet developed in Sweden as there has been a ban on the cultivation of the hemp plant. This ban on the cultivation of hemp was removed in 2003, when the material got a boost. You can use it in many different ways and not just in the construction industry (Ahlsten, 2010). In this study we have investigated the possibility to produce prefabricated wall elements of LHC. We have also studied its mechanical properties and dehydration time. Different types of mixes were made to find out which type of blend that worked best and had good workability properties. Four different types of wall elements were made to see how they react when they are handled and lifted and to show how you can connect the wall elements to each other and how you can connect them in corners.

Le béton de chanvre est obtenu par le mélange d'un granulat végétal, constitué de bois de chanvre, et d'un liant. Il confère au mur de bonnes propriétés d'isolation thermique et acoustique, ainsi qu'une régulation de l'humidité. Cependant, des problèmes de non-prise, qui semblent fortement liés aux transferts d'eau dans le béton au cours des premières heures, peuvent parfois se produire. La RMN permet de quantifier l'eau dans le chanvre et dans le liant et donc de décrire et comprendre les transferts au cours de la prise. Nous montrons d'abord que, dans le liant constitué d'un mélange de chaux hydraté et de ciment, la chaux accélère la prise du ciment. Cette prise est d'autant plus inhibée que la quantité de chanvre au contact du ciment est importante. Nous montrons également que l'absorption d'eau par le granulat de chanvre s'étale sur trois jours, et qu'elle se produit en deux phases successives correspondant à l'imprégnation de deux zones du chanvre. L'étude des transferts dans le béton pendant la prise révèle une absorption d'eau rapide par le chanvre initialement, puis un transfert vers le liant. L'étude d'un béton de chanvre "modèle" nous permet d'associer ce transfert au retrait chimique du ciment au cours de la prise / Hemp concrete results from the mix of a vegetal aggregate (hemp shives) and a binder. It provides thermal and acoustic insulation to the wall, as well as a good moisture regulation. However, problems sometimes occur during setting, that seem strongly linked to transfers of water in the concrete in the first hours. NMR allows to quantify water in hemp and in the binder and thus to describe and understand the transfers during setting. We first show that, in the binder consisting of a mixture of hydrated lime and cement, lime accelerates cement hydration. This hydration is inhibited as the amount of hemp in contact with the cement increases. We also show that the absorption of water by hemp shives is takes place during three days, and it occurs in two successive phases corresponding to two areas of hemp that imbibe. The study of transfers in the concrete during the setting shows a rapid water absorption by the hemp initially, followed by a transfer to the binder. The study of a "model" hemp concrete allows us to associate this transfer to the chemical shrinkage of cement during hydration

L'utilisation de matériaux isolants à base de granulats végétaux est en plein essor notamment pour la réhabilitation du bâti ancien, améliorant ainsi le confort des habitants. Ces matériaux possèdent des propriétés thermiques, hydriques et acoustiques appréciables. Cependant, leur développement est encore limité par le manque d'information sur l'évolution de leurs performances à long terme. Ainsi, l’objectif de cette étude est d’évaluer l’évolution des propriétés fonctionnelles du béton de chanvre, en identifiant les mécanismes de vieillissement lorsque le matériau est exposé à différents types d'environnements. Pour cela, deux bétons de chanvre formulés avec une même chènevotte et deux liants de nature chimique différente sont retenus. L’approche utilisée dans cette étude est pluridisciplinaire (chimique, physico-chimique, microbiologique, microstructurale, acoustique, thermique et mécanique) et multi échelle. L'étude des propriétés chimiques et microstructurales permet de comprendre les variations des propriétés fonctionnelles. Dans un premier temps, la caractérisation initiale des deux formulations a permis de mettre en évidence l’absence d’influence de la nature du liant sur les propriétés fonctionnelles des isolants, ce qui peut être en partie expliqué par des microstructures similaires. Une faible résistance mécanique des matériaux, liée à l'inhibition de la prise des liants en raison de leurs interactions avec les molécules extraites de la chènevotte, a également été mise en évidence. Dans un second temps, les bétons de chanvre ainsi que la chènevotte brute sont soumis à un vieillissement accéléré en imposant des cycles d’humidification/séchage pendant deux ans. Les modifications des performances des matériaux à différentes échéances sont comparées à celles d'échantillons de référence placés à 50% d’humidité relative et une température constante contrôlée. Dans les conditions de référence, aucune variation de propriétés n'est observée. Pour le vieillissement accéléré, les variations de propriétés mises en évidence sont induites par différents paramètres. Dans le cas de la chènevotte brute, l’action des microorganismes et l’adsorption d’eau entrainent une perte de masse et l'ouverture des porosités à l'origine des variations des propriétés acoustiques et hydriques. Pour le béton de chanvre, aucun développement fongique n’est observé en surface du matériau. En revanche, l’action de microorganismes est bien visible à l’intérieur des granulats végétaux, et des mécanismes supplémentaires sont identifiés : les réactions d'hydratation et de carbonatation au sein du liant ainsi que la minéralisation de la chènevotte entrainent des variations de propriétés thermiques, acoustiques et hydriques en modifiant la microstructure des bétons de chanvre. En conclusion, l’absence de variations des propriétés des bétons de chanvre dans les conditions de référence laisse penser que dans un bâtiment réel, leurs propriétés peuvent être stables dans le temps, les pathologies observées étant alors liées à une mise en œuvre défaillante. Pour aller plus loin, les résultats obtenus lors de ce travail devront être validés par une étude in situ qui permettrait d’estimer la durée de vie de ces matériaux / The use of insulating materials based on plant aggregates is growing quickly, especially for the rehabilitation of old buildings, thus improving the comfort of residents. These materials have significant thermal, hydric and acoustic properties. However, their development is still limited by the lack of information on the evolution of their long-term performances. Thus, the objective of this study is to evaluate the evolution of the functional properties of hemp concretes, by identifying the aging mechanisms when the material is exposed to different types of environments. For this aim, two hemp concretes formulated with one type of hemp and two binders with different chemical nature are retained. The approach of this study is multidisciplinary (chemical, physico-chemical, microbiological, microstructural, acoustic, thermal and mechanical) and multi-scale. The study of chemical and microstructural properties allows the understanding of the variations of functional properties. Firstly, the initial characterization of the both hemp concretes made it possible to demonstrate the absence of impact of the nature of the binder on the functional properties of the insulators, which can be partly explained by their similar microstructure. A weak mechanical resistance of the materials was also highlighted, related to the inhibition of the setting of the binders because of their interactions with the molecules extracted from the shiv. Secondly, hemp concretes and bulk shiv hemp are subjected to an accelerated aging by imposing cycles of humidification / drying during two years. The modifications of the material performances at different time scales are compared to reference samples stored at 50% of relative humidity and a constant controlled temperature. Under reference conditions, no variation in properties is observed. For accelerated aging, the variations of properties highlighted are induced by several parameters. In the case of bulk shiv, the action of microorganisms and the adsorption of water lead to a loss of mass and to the opening of porosities, leading to variations in acoustic properties. For hemp concretes, no fungal development is observed on the surface of the material. On the other hand, the action of microorganisms is clearly visible inside the plant aggregates, and additional mechanisms are identified: the hydration and carbonation reactions within the binder as well as the mineralization of the vegetal particles cause variations in thermal, acoustic and hydric properties by modifying the microstructure of hemp concretes.In conclusion, the absence of variations in the properties of hemp concretes in the reference conditions suggests that in a real building, their properties can be stable over time, the observed pathologies then being due to a faulty implementation. To go further, the results obtained during this work have to be validated by an in-situ study to be able to estimate the lifetime of these materials

En réponse aux préoccupations environnementales, l'utilisation du béton de chanvre s'est développée ces dernières années et a montré son efficacité d'un point de vue hygrothermique. L’analyse de son cycle de vie souligne l’intérêt environnemental du chanvre et montre que le constituant le plus impactant est le liant, généralement à base de chaux. L'objectif de cette thèse est de développer des composites à base de chanvre en substituant à la chaux une matrice minérale moins impactante. Plusieurs formulations sont réalisées avec différentes matrices liantes et différents dosages en chanvre. D'une part, le liant commercial ThermOⓇ est utilisé pour produire des bétons de chanvre «classiques», servant de référence comparative. D' autre part, des matrices liantes sont développées à base de fines issues de boue de lavage. La terre commerciale ClaytecⓇ est également considérée. Après avoir présenté les différentes matières premières retenues pour cette étude. Le liant ThermOⓇ est caractérisé pour différents dosages en eau. Les fines issues de boues de lavage font l'objet d'une étude de stabilisation visant à satisfaire des objectifs de résistance mécanique de la matrice liante. Une stabilisation avec 5 % de ciment portland couplé à 5% de ThermOⓇ est retenue pour la suite de l'étude. Cette formulation n'impacte pas significativement la conductivité thermique de la matrice liante, tout en permettant d'atteindre les objectifs mécaniques fixés. Les composites réalisés avec les différents liants sélectionnés présentent des dosages chanvre / liant évoluant entre 0.4 et 0.75, dosage conventionnels pour des applications toit, mur et dalle. Ils sont mis en œuvre par compaction, ce qui conduit à des masses volumiques comprises entre 370 et 6 15 kg/m3 et des porosités comprises entre 70 et 81 %. Les comportements mécaniques, thermiques et hygriques des composites sont évalués. Les performances mécaniques mesurées répondent aux exigences des règles professionnelles Construire en Chanvre, y compris pour les composites réalisés avec des fines non stabilisées. Les isothermes de sorption obtenues sont des sigmoïdes de classe II ou Ill. présentant des teneurs en eau plus élevées pour les composites réalisés avec le ThermOⓇ. Les valeurs MBV obtenues montrent que les composites à base de fines ou de terre ClaytecⓇsont meilleurs régulateurs hygriques que les composites réalisés avec le liant ThermOⓇ, respectivement classés excellents et très bons régulateurs hygriques. Les performances thermiques des composites en permettent un usage en isolation répartie. Au point sec, la conductivité thermique dépend essentiellement de la masse volumique, sans impact du type de liant. Lorsque l'humidité relative ambiante augmente, la conductivité thermique des composites à base de liant ThermOⓇ est plus impactée que celle des autres composites, en lien avec les isothermes de sorption. Cette étude montre donc toute la pertinence du développement de composites formulés à l'aide de fines issues de boues de lavage en substitution de la chaux. / In response to environmental concerns, the use of hemp concrete has been developed in recent years and has shown its efficiency from a hygrothermal point of view. Its life cycle analysis underlines the environmental interest of hemp and shows that the most impacting component is the binder, usually lime-based. The aim of this thesis is to develop hemp-based composites by substituting lime with a less impacting mineral matrix. Several formulations are made with different binder matrices and different hemp content. On the one hand, the ThermO® commercial binder is used to produce "classic" hemp concrete, which are used as a comparative reference. On the other hand, binder matrices are developed based on washing mud fines. Claytec® commercial earth is also considered. After presenting the different raw materials selected for this study, the ThermO® binder is characterized with several water ton binder ratios. The washing mud fine stabilisation is investigated regarding mechanical resistance objectives. A stabilization with 5% of portland cement coupled with 5% of ThermO® is selected for the following development. This formulation does not significantly affect the thermal conductivity of the binder matrix, while allowing to achieve the fixed mechanical objectives. The composites made with the various selected binders have hemp I binder ratios ranging between 0.4 and 0.75, conventional ratio for roof, wall and floor applications. They are implemented by compact ion, which leads to densities ranging from 370 to 61 5 kg/m3 and porosities ranging from 70 to 81%. The mechanical. Thermal and hygric behaviors of the composites are investigated. The measured mechanical performances meet the requirements of the professional rules Construire en Chanvre, even for composites made with unstabilized fines. The sorption isotherms obtained are class II or III sigmoid, with higher water contents for composites made with ThermO®. The MBV values obtained show that the composites made with fines and with Caytec® earth are better hygric regulators than the composites made with ThermO® binder, respectively classified as excellent and as very good hygric regulators. The thermal performances of the composites allow a use in distributed insulation. At the dry point, the thermal conductivity mainly depends on the density, without impact of the type of binder. As ambient relative humidity increases, the thermal conductivity of ThermO®, binder-based composites is more impacted than that of other composites in connection with sorption isotherms. This study thus shows the relevance of the development of composites formulated with washing mud fine as a substitute tor lime.

Le béton de chanvre est aujourd'hui le matériau de construction agro-ressource le plus développé en Europe. Il se compose de chanvre et de liant minéral (chaux) mélangé à l'eau. Généralement, il est utilisé pour ses propriétés d'isolation thermique dans le bâtiment. La plupart des blocs de béton de chanvre qui ont été étudiés, présentent un comportement fragile et une très faible résistance mécanique. Les formulations sont généralement riches en liant et légèrement compactées. Jusqu'à présent, le béton de chanvre n'est pas considéré comme un matériau porteur. Il est principalement utilisé comme remplissage isolant, combiné avec des composants de structure en bois, béton ou maçonnerie. Une étude a testé d'autres formulations, avec des teneurs plus élevées en granulats grâce à un procédé de compactage, afin d'améliorer à la fois la rigidité et la résistance des mélanges durcis. Dans ces formulations, l’ajout des granulats de chanvre, plus légers et plus poreux que la chaux, abaisse de manière significative la conductivité thermique. Le présent travail est une étude expérimentale du comportement à la compression et au cisaillement du béton de chanvre, afin d’utiliser ce matériau bio-sourcé dans le contreventement des bâtiments à ossature bois, tout en maintenant de bonnes qualités d'isolation thermique dans le bâtiment. Deux formulations compactées, M1 et M4 ont été expérimentées, ainsi que des éprouvettes obtenues à partir de blocs de commerce Chanvribloc®. Deux séries d’essais ont été réalisées. La première est portée sur la compression uni-axiale dans chaque direction pour caractériser l'anisotropie mécanique du matériau. Cette anisotropie a été engendrée par le procédé de compactage. La deuxième série d’essais permet de caractériser le comportement de cisaillement des formulations étudiées. Dans cette étude, un dispositif spécial d’essai de cisaillement a été développé. Il permet de caractériser au cisaillement des éprouvettes sous différentes contraintes normales appliquées. Les champs de déformations des éprouvettes cisaillées ont été suivis par stéréo- corrélation d’images durant les essais. Les résultats expérimentaux de compression ont montré que ce matériau est anisotrope, même lorsqu'il est industriellement mis en place par vibrations. Le matériau a plus spécifiquement un comportement isotrope transverse. Le comportement dans le sens longitudinal est caractérisé par une ductilité très élevée, tandis que le comportement transversal est très fragile, avec un comportement très variable et instable. Les résultats expérimentaux en cisaillement montrent une ductilité élevée de ce matériau. Ce comportement est intéressant pour le contreventement et le comportement sous action sismique des bâtiments avec des murs constitués de béton de chanvre. Des modélisations et applications numériques à l’échelle structurelle d’un bâtiment à plusieurs étages ont été réalisées, pour illustrer l’utilisation des blocs de béton de chanvre en contreventement de bâtiments à ossature bois. Les formulations les plus compactées présentent un meilleur comportement sous actions sismiques modérées et moyennes, par rapport aux formulations les moins compactées à la mise en œuvre, tandis que les murs en Chanvribloc à l’état actuel, ne permettent pas de contreventer les bâtiments en zones sismiques modérés ou moyennes. / Lime and hemp concrete (LHC) is nowadays the most developed bio-based aggregate building material in Europe. It consists of hemp shiv and mineral binder mixing with water. Generally, bio-based materials like LHC are used for their thermal insulation properties in building. Most blocks of Lime Hemp Concrete which have been studied, show a brittle behavior and a very low mechanical strength. The formulations are generally rich in binder and slightly compacted. Up to now, this material is then not considered as a load bearing material and is mainly used as filler insulation, combined with structure components made of wood, concrete or masonry. A study has tested other formulations, with higher contents of aggregates thanks to a compaction process, in order to improve both the rigidity and the strength of the hardened mixtures. In these formulations, shiv which has higher amount is definitely lighter and more porous than lime, which prevents a significant increase in thermal conductivity. The present work of my PhD is an experimental study of the compressive and shearing behavior of hemp concrete, in order to study the load-bearing capacity and bracing of this bio based material, while maintaining good qualities of thermal insulation in building. Two compacted formulations were tested M1 & M4, as well as samples obtained from trade-blocks Chanvribloc®. Two series of tests were performed. The first one is a uniaxial compression test in each direction for characterizing the mechanical anisotropy of the material. This anisotropy is induced by the compacting process. The second one permits to characterize the shearing behavior of the different mix-designs. In this study, an original shear device was developed, specifically designed for this kind of material, which allows shearing under controlled normal stress. An image processing performed was carried out, using a camera and ARAMIS image processing software during shear tests, to evaluate the fields of deformations and to study the behavior of the specimen during the shear test. The compressive experiments results have shown that this material is anisotropic, even when it is industrially molded by vibrations. The material has a transverse isotropic behavior. The behavior in the longitudinal direction is characterized by very high ductility, while the transverse behavior is very brittle, with a highly variable and unsteady behavior. The experimental results in shear show a high ductility of this material. These results are very promising, an interesting behavior of LHC walls in term of potential bracing. Numerical modeling and applications have been carried out to illustrate the use of hemp concrete blocks for bracing buildings. The formulation M4 exhibits a better behavior under moderate and average seismic actions, compared to the formulation M1, while the Chanvribloc walls in the present state do not allowthe buildings to be braced in moderate or medium seismic zones.

Le béton de chanvre est obtenu par le mélange d'un granulat végétal, constitué de bois de chanvre, et d'un liant. Il confère au mur de bonnes propriétés d'isolation thermique et acoustique, ainsi qu'une régulation de l'humidité. Cependant, des problèmes de non-prise, qui semblent fortement liés aux transferts d'eau dans le béton au cours des premières heures, peuvent parfois se produire. La RMN permet de quantifier l'eau dans le chanvre et dans le liant et donc de décrire et comprendre les transferts au cours de la prise. Nous montrons d'abord que, dans le liant constitué d'un mélange de chaux hydraté et de ciment, la chaux accélère la prise du ciment. Cette prise est d'autant plus inhibée que la quantité de chanvre au contact du ciment est importante. Nous montrons également que l'absorption d'eau par le granulat de chanvre s'étale sur trois jours, et qu'elle se produit en deux phases successives correspondant à l'imprégnation de deux zones du chanvre. L'étude des transferts dans le béton pendant la prise révèle une absorption d'eau rapide par le chanvre initialement, puis un transfert vers le liant. L'étude d'un béton de chanvre "modèle" nous permet d'associer ce transfert au retrait chimique du ciment au cours de la prise / Hemp concrete results from the mix of a vegetal aggregate (hemp shives) and a binder. It provides thermal and acoustic insulation to the wall, as well as a good moisture regulation. However, problems sometimes occur during setting, that seem strongly linked to transfers of water in the concrete in the first hours. NMR allows to quantify water in hemp and in the binder and thus to describe and understand the transfers during setting. We first show that, in the binder consisting of a mixture of hydrated lime and cement, lime accelerates cement hydration. This hydration is inhibited as the amount of hemp in contact with the cement increases. We also show that the absorption of water by hemp shives is takes place during three days, and it occurs in two successive phases corresponding to two areas of hemp that imbibe. The study of transfers in the concrete during the setting shows a rapid water absorption by the hemp initially, followed by a transfer to the binder. The study of a "model" hemp concrete allows us to associate this transfer to the chemical shrinkage of cement during hydration

Dans un contexte de performance énergétique et de durabilité dans le secteur du bâtiment, la maîtrise du comportement hygrothermique des matériaux d'enveloppe, notamment hygroscopiques, est essentielle. Les travaux réalisés concernent la compréhension et la modélisation des transferts de chaleur et d'humidité au sein d'une paroi multicouche de bâtiment composée de matériaux biosourcés.Une attention particulière est portée sur les phénomènes d'hystérésis observés sur les isothermes de sorption. Un modèle numérique 1D développé sur COMSOL Multiphysics est exploité pour simuler en régime transitoire les champs de température et de pression de vapeur dans trois situations. La première concerne l'étude du comportement hygrothermique de matériaux fortement hygroscopique (béton de chanvre) et faiblement hygroscopiques (enduits à base de chaux) soumis à diverses variations cycliques d'humidité relative. Un bon accord est constaté entre les simulations et des mesures d'humidité relative, de température et de teneur en eau. Néanmoins, les résultats présentent une forte sensibilité aux propriétés hydriques. Dans un second temps, une étude est menée sur une paroi de béton de chanvre instrumentée placée dans une enceinte bi-climatique et exposée à des variations de température et d'humidité relative. La confrontation des évolutions mesurées et calculées montre la nécessité de bien définir le champ de teneur en eau initiale. La dernière étude concerne une paroi multicouche (béton de chanvre et enduits). Il apparaît que les enduits jouent un rôle important sur le comportement de la paroi et il est nécessaire de prendre en compte l'influence de la température sur les courbes de sorption. / In a context of energy efficiency and durability in the field of building, the understanding of hygrothermal behaviour of building materials, especially hygroscopic ones, is essential. This study aim to understand and model heat and moisture transfers in a multi-layer building wall made of biosourced materials. We focus in particular on hysteretic phenomena observed on sorption isotherms. A one-dimensional numerical model developed with the COMSOL Multiphysics software is used to simulate transient temperature and vapour pressure in three situations. The first one is about the hygrothermal behaviour of materials, highly hygroscopic (hemp concrete) and lowly hygroscopic (lime-based plasters), exposed to several cyclical variations of relative humidity. A good agreement is observed between simulated and measured values of relative humidity, temperature and moisture content. However, results are highly sensitive to hydric properties. Then, a study is performed on an instrumented hemp-concrete wall built in a bi-climatic chamber and exposed to simultaneous temperature and relative humidity variations. The confrontation between measured and simulated values shows the importance of initial moisture content.

Le béton de chanvre est un matériau de construction biosourcé pouvant répondre aux problématiques environnementales actuelles. Utilisé comme matériau de remplissage avec une bonne capacité isolante, il possède également la capacité de réguler l'humidité relative intérieure. Son comportement hygrothermique complexe résulte notamment de performances thermiques et hydriques interdépendantes. La prédiction de ces effets est réalisée à l'aide de modélisation et simulation de transferts hygrothermiques. Toutefois, l'utilisation de données d'entrée les plus représentatives possibles de la réalité est nécessaire. Les méthodes de caractérisation courantes ont souvent été développées pour des matériaux conventionnels et peuvent montrer des limites dans le cas de matériaux biosourcés. L'objectif principal de ces travaux est de déterminer les propriétés hygrothermiques d'un bloc de béton de chanvre préfabriqués à l'échelle industrielle, de mieux appréhender cette caractérisation et de décrire son comportement hygrothermique via des simulations numériques. Le matériau étudié est formulé à partir d'un liant pouzzolanique et de granulats de chènevotte. Une partie de ce travail de thèse a donc porté sur la caractérisation des propriétés physiques, thermiques et hydriques du béton de chanvre étudié ainsi que sur les méthodes de mesure. Pour chaque paramètre hygrothermique étudié, plusieurs méthodes ont été confrontées afin d'en évaluer l'impact. Dans la mesure du possible, l'influence de la température et de l'humidité sur les différents paramètres a également été estimée. Un modèle de transferts hygrothermiques est proposé avec une évaluation d'ordre de grandeur dans le cas du béton de chanvre à partir des propriétés de la littérature. Ce modèle est appliqué à une étude expérimentale à l'échelle de la paroi, dans une enceinte bi-climatique, mettant en avant l'impact de la sorption et du changement de phase sur les transferts de chaleur. En ce qui concerne les propriétés thermiques, l'étude expérimentale à l'échelle du matériau met en évidence l'impact significatif du protocole expérimental sur le résultat de mesure, en particulier pour la chaleur massique. Pour les propriétés hydriques, les essais mettent en avant l'intérêt de réaliser une étude paramétrique de type round-robin sur les matériaux biosourcés. [...] / Hemp concrete is a bio-based construction material able to meet current sustainable issues. Used as filling and insulating material, it has the capacity to regulate the indoor relative humidity. Its complex hygrothermal behavior results on interdependent thermal and hydric performances. The prediction of the hygrothermal effect is performed through heat and moisture transfer modeling and simulation. However, the use of representative inputs is necessary. Standard characterization methods have often been developed for usual building material and can show some limitations in the case of bio-based material. The main objective of these works is to determine the hygrothermal properties of a precast hemp concrete produced at industrial scale, have a better understanding of this characterization and describe its hygrothermal behavior through numerical simulations. The studied material is based on pozzolanic binder and hemp aggregates. One part of this work deals with the characterization of the physical, thermal and hydric properties of the studied material and with the measurement methods. For each hygrothermal properties, several methods have been confronted. If possible, the temperature and humidity influences have been appraised. A heat and moisture transfer model is proposed with a scale analysis based on hemp concrete properties from the literature. This model has been applied to wall scale experiments highlighting the impact of sorption and phase change phenomena on the heat transfers. With regards to the thermal properties, the experimental study at material scale highlights the significant impact of the experimental protocol on the result of the measure, particularly for the specific heat capacity. For hydric properties, the studies put forward the interest of performing a parametric round-robin test dedicated to bio-based materials. An air permeability measurement protocol designed for regular concrete has been adapted in order to evaluate the performance of a very permeable material such as the hemp concrete. The numerical model is validated on a test from a standard and a test from the literature. It manages to describe test with usual ambient solicitations performed in the bi-climatic chamber.

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

Dans un contexte de réchauffement climatique et de fin programmée des énergies fossiles, le secteur du bâtiment vise à réduire de 38% sa consommation d’énergie et à atteindre 10% de matériaux bio-sourcés utilisés dans la construction à l’horizon 2020. Ainsi, le béton de chanvre peut jouer un rôle majeur grâce à son bilan environnemental et à ses propriétés hygrothermiques qui lui permettent d’assurer un rôle d’amortisseur thermique et de stabilisateur de confort. Or le comportement hygrothermique du béton de chanvre à l’échelle du bâtiment est peu abordé dans la littérature et jamais pour les bâtiments tertiaires. L’objectif principal de ce projet est de combler ce vide en étudiant et en optimisant les performances énergétiques d’un bâtiment en béton de chanvre destiné à usage de bureaux et/ou de salles d’enseignement. Afin d’assurer le confort thermique intérieur différentes solutions techniques seront couplées au bâtiment et comparées entre elles : - une ventilation double flux thermodynamique associant une pompe à chaleur à une centrale double flux. - Une ventilation simple flux associé à un puits canadien qui récupère la chaleur du sous-sol pour préchauffer l’air de ventilation en hiver ou le rafraîchir en été. - Une ventilation double flux associé à un puits canadien. Par le biais de la simulation numérique et de mesures faites d’abord à l’échelle des composants, il sera ainsi possible d’évaluer le potentiel de chaque composant sur l’énergétique et le confort hygrothermique de bâtiments tertiaires intégrant principalement le périmètre du projet Grand Campus de Reims mais également pouvant être élargi à la spécificité d’autres climats français. / In a context of global warming and planned end of fossil fuels, the construction industry aims to reduce by 38% its energy consumption and to achieve 10% of bio-based materials used in construction in 2020. Thus, the hemp concrete can play a major role thanks to its positive environmental impact and its hygrothermal properties that allow it to ensure a role of heat damper and comfort stabilizer. Or hygrothermal behavior of hemp concrete throughout the building is little discussed in the literature and never for commercial buildings. The main objective of this project is to fill this gap by studying and optimizing the energy performance of a hemp concrete building designed for offices and / or classrooms. To ensure inside thermal comfort, different technical solutions will be coupled to the building and compared with each other: - A double flow thermodynamical ventilation combining a heat pump with a double flow central. - A simple flow ventilation associated to a pipe system which recovers heat from the basement to preheat ventilation air in winter and cool in the summer. - A double flow ventilation associated to a Canadian well. Through computer simulation and measurements made initially at the level of components, it will be possible to evaluate the potential of each component on the energy and hygrothermal comfort of commercial buildings mainly integrating the project boundary Grand Campus Reims but also can be extended to other French specificity climates.